Die Entwicklung der technischen Physik, vorzugsweise in den letzten zwanzig Jahren. Von Privatdozent Dr. W. Hort. (Fortsetzung.) HORT: Die Entwicklung der technischen Physik, vorzugsweise in den letzten zwanzig Jahren. In der Einleitung zu diesem Bericht, den ich hiermit wieder aufnehme, habe ich auf S. 245 des 331. Bandes den Plan entwickelt, neben dem seit langem zum Bereiche der technischen Physik gerechneten Wissenschaften der Mechanik, Elastizitätslehre, Festigkeitslehre, Hydrodynamik und Wärmelehre auch die technische Elektrizitätslehre und die technische Optik im Rahmen des Berichtes zu behandeln. Auf S. 188 des 332. Bandes ist die Hydrodynamik der strömenden Flüssigkeitsbewegungen zum Abschluß gebracht. Es steht noch aus die Wellenhydrodynamik und die Bewegung fester Körper in Flüssigkeiten. Diese Teile der Hydrodynamik sowie die Wärme- und Elektrizitätslehre späterer Behandlung vorbehaltend, will ich mich heute der technischen Optik zuwenden, wobei ich in der Darstellung weiter zurückgreife, um die Bildung der optischen Begriffe möglichst eingehend vorzubereiten. VIII. Technische Optik. 1. Um einen vorläufigen allgemeinen Ueberblick über das Gebiet zu erhalten, entschließen wir uns, innerhalb der Technischen Optik, die Technik des Sehens und die Technik des Leuchtens zu unterscheiden. Beide Zweige haben schon von Alters her die Entwicklung der menschlichen Kultur begleitet; doch hat eine wissenschaftliche Behandlung zuerst die Technik des Sehens erfahren. Schon von Euklid, dem berühmten Geometer des Altertums, besitzen wir zwei optische Lehrbücher, die „Optica“ und die „Katoptrica“. Die „Optica“ enthält vorzugsweise eine Lehre von der Perspektive, ferner Lösungen verschiedener geodätischer Aufgaben und die allerersten Anfänge der Theorie des stereoskopischen Sehens. Die „Katoptrica“ behandelt zahlreiche Aufgaben über Spiegelungen an ebenen und gekrümmten Flächen. Euklid ist schon im vollen Besitz des richtigen Reflexionsgesetzes. Die Anfänge der Lehre von der Brechung des Lichtes gehen auf Ptolemäus zurück, der bereits ziemlich genaue Refraktionstafeln für astronomische Zwecke berechnete. Das genaue Brechungsgesetz war auch Kepler noch unbekannt, dessen Dioptrica im übrigen eine eingehende Erörterung der Eigenschaften der Linsen und Linsensysteme, eine lichtvolle Erklärung des Sehaktes, sowie der Kurz- und Weitsichtigkeit nebst den Grundzügen einer Theorie der Fernröhren enthält. Eine besondere Leistung Keplers [Dioptrica LIX] ist schließlich die Erkenntnis der Aberration an Kugelflächen und der Vorschlag, diesen Abbildungsfehler durch parabolische Flächen zu beheben. Mit Kepler sind also die Grundlagen der wissenschaftlichen Technik des Sehens gegeben. Wir werden die weitere Entwicklung der Sehtechnik behandeln durch Darstellung der geometrischen Optik im weiteren Sinne sowie der Theorie der optischen Instrumente. 2. Die Leuchttechnik beginnt ihr Dasein mit der Trennung des Lichtes vom Feuer. Fortan gehen Heizungstechnik und Beleuchtungstechnik ihre getrennten Wege. Von der Oellampe der Alten bis zur modernen Glühlampe ist ein langer Entwicklungsgang, auf welchem die Herstellung und Verbesserung der Lichtquellen der wissenschaftlichen Erkenntnis ihrer Wirkungsweise stets weit vorauseilte, im Gegensatz zur Technik des Sehens, bei dessen Entwicklung die wissenschaftliche Behandlung fast sofort mit der technischen Problemstellung einsetzt. Die klare Erkenntnis der Notwendigkeit der Luft für die Unterhaltung der Leuchtflamme finden wir zuerst bei Roger Bacon 1267Opus majus. Pars V. Nunc primus edidit S. Jebb. Londini. 1733., und die Anfänge einer Flammentheorie gehen auf Geronimo Cardano 1550 zurück, der die Bedeutung des geregelten Luftzuges für die Wirksamkeit der Flamme erkannte. Die Lampen der damaligen Zeit waren lästige Qualmentwickler; noch Prof. Segner gab 1743 eine Lampe für Studierende an, die außer einem Reflektor einen Schornstein für den Qualmabzug aufwies. Die Qualmentwicklung beseitigte erst Argand 1783 durch Erfindung des Runddochtes und des Zylinders. (Englisches Patent Nr. 1425 vom 15. 3. 1784.) Optische Hilfsmittel zur Verstärkung der Leuchtwirkung schlug bereits Leonardo da Vinci vor, indem er die Leuchtflamme in einer wassergefüllten Glaskugel brennen lassen wollte. Wir haben hier die Urform des später von Fresnel angegebenen optischen Systems für Leuchtfeuer vor uns. Eine ernstliche wissenschaftliche Behandlung der Leuchttechnik konnte aber erst Platz greifen, als die Messung der Leuchtwirkung möglich geworden war. Der erste Forscher, der den Versuch gemacht hat, eine Lichtstärke zu messen, war Huyghens, der die Lichtstärke der Sonne mit der des Sirius vergleichen wollte. Die Vergleichsmethode beruhte darauf, daß durch Blenden die Lichtwirkungen beider Himmelskörper auf das Auge gleich gemacht werden sollten; das umgekehrte Verhältnis der Blendenöffnungen sollte das Verhältnis der Lichtstärken darstellen. Wir übergehen weitere Versuche von Celsius und Buffon und wenden uns zu dem Photometer von Bouguer, mit welchem die Intensität zweier Lichtquellen verglichen, werden konnte. In der Abb. 1 ist die einfache Vorrichtung dargestellt. Die beiden zu vergleichenden Flammen a und b wurden so aufgestellt, daß sie zwei mit durchscheinendem Papier beklebte runde Oeffnungen bestrahlten, wobei durch eine Trennwand dafür gesorgt war, daß jede Flamme nur ihre eigene Oeffnung beleuchtete. Der senkrechte Abstand der beiden Flammen von den Oeffnungen wurde so lange geändert, bis die Beleuchtungsstärken der durchscheinenden Papiere keinen Unterschied mehr erkennen ließen. Bouguer vergleicht dann die Lichtstärke der beiden Flammen durch das umgekehrte Verhältnis der Quadrate ihrer Entfernungen von den beleuchteten Oeffnungen. Textabbildung Bd. 334, S. 212 Abb. 1. Durch diese Konstruktion ist Bouguer der Vater der Photometer geworden; alle später bis in die neueste Zeit angegebenen Vorrichtungen zum Vergleich von Lichtstärken, soweit sie nicht energetische Meßprinzipien zugrunde liegen, beruhen auf der Bouguerschen Erfindung. Die wissenschaftliche Formulierung der wichtigsten Sätze der heutigen Photometrie verdanken wir Lambert, der folgende Definitionen und Sätze in seiner „Photometria“ Sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae, 1760 aufstellte. a) Das Maß der Helligkeit oder des Glanzes eines leuchtenden Punktes ist die Stärke der Beleuchtung, die er einem Flächenelemente erteilt, welches sich von ihm in der Entfernung 1 befindet. b) Unter sonst gleichen Umständen ist die Beleuchtung, die eine kleine Fläche von einem leuchtenden Punkte erhält, dem Quadrate der Entfernung zwischen Punkt und Fläche ungefähr proportional. c) Die Stärke der Beleuchtung einer kleinen Fläche, die von einer leuchtenden Fläche beleuchtet wird, ist der Größe der letzteren proportional. Ist also J der Glanz jedes Elementes der leuchtenden Fläche, F ihre Größe und D die Entfernung zwischen ihr und der beleuchteten Fläche, so ist die Stärke der Beleuchtung mit \frac{F\,.\,J}{D^2} proportional. d) Steht das leuchtende und das beleuchtete Flächenelement auf der Verbindungslinie nicht senkrecht, sondern bilden die Normalen der Elemente mit der Verbindungslinie die Winkel σ1 und σ2, so wird die Beleuchtungsstäke i=\frac{F\,J}{D^2}\,\cos\,\sigma_1\,\cos\,\sigma_2. Diese Sätze bilden auch heute noch den wesentlichen Inhalt der photometrischen Lehren. 3. Die erste exakte Formulierung des genauen Brechungsgesetzes \frac{\sin\,\alpha}{\sin\,\alpha'}=\frac{n}{n'} verdankt man dem Holländer Willibrord Snellius1591 bis 1626.. Zwar kennen wir keine Schrift von ihm, in der das Gesetz veröffentlicht wäre, aber Newton und Huyghens bezeugen seine Priorität gegenüber der ersten, gedruckt von DescartesDescartes, Discours . . . . . plus la dioptrique . . . . . de cette Méthode. Leyde 1637. gegebenen Abfassung. Im Besitz des exakten Brechungsgesetzes war die Wissenschaft instand gesetzt, nunmehr die Ansätze für die Brenn- und Vereinigungsweiten der sphärischen Spiegel und Linsen zu entwickeln. Bonaventura CavalleriExercitationes geometricae sex auctore F. Bonaventura Cavallerio, etc. Bononiae 1647. gibt zuerst in einem langatmigen Satz von 49 lateinischen Worten als Brennweitenformel folgende Rechenvorschrift: (r1 + r2) : r1 = r2 : f, woraus sich die uns geläufigere Form: \frac{1}{f}=0,5\,\left(\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2}\right) ohne Schwierigkeit ergibt. Anzumerken ist nur noch, daß Bonaventura den Annäherungswert \frac{1}{2} für n – 1 gesetzt hat; bei den damals bekannten Gläsern lagen die Brechungsexponenten n nahe bei 1,5. Textabbildung Bd. 334, S. 212 Abb. 2. Viel später gab Edmund HalleyPhilosophical transactions 1693. November., nach weitschweifigen Untersuchungen BarrowsIsaak Barror, Lectiones opticae et geometricae, London, 1674., die für alle Spiegel und Linsen giltige Formel der Vereinigungsweite, für solche Strahlen, bei denen die Achsenneigungswinkel so klein sind, daß ihre Sinus mit den Bögen vertauscht werden können, also im paraxialen Gebiet, unter Berücksichtigung der Linsendicke. Textabbildung Bd. 334, S. 212 Abb. 3. Aus der Halleyschen Formel ergibt sich ohne weiteres für die Linsendicke d = 0 die fundamentale Abbildungs-Gleichung: \frac{1}{f}=\frac{1}{a}+\frac{1}{b}. Für diese Formeln wurden dann auch bald Konstruktionsverfahren entwickelt, um zu gegebenen Gegenständen die Lage der Bilder auf zeichnerischem Wege zu ermitteln, so z.B. von Robert SmithRobert Swith, System of optics. Cambridge 1738.. Die sphärische Aberration von Spiegeln war schon Roger BaconTractatus de speculis ca. 1290. bekannt. Kepler beschäftigt sich mit der Beseitigung der sphärischen Aberration von Linsen, durch Anwendung nicht sphärischer Flächen. In seiner „Dioptrica“ findet sich eine Zeichnung nach Abb. 2. Newton ist der erste, der zahlenmäßige Angaben über die Größe der Aberration, auch der chromatischen gibtJ. Newton, Optice, or a treatise of the reflections, inflections and colours of light, London 1704.. Nach ihm ist (mit Bezug auf Abb. 3) der Halbmesser der kleinsten sphärischen Breitenabweichung einer plankonvexen Linse \varrho_s=\frac{n^2\,x^2}{8\,g^2}, während die chromatischen Abweichungen sich nach Abb. 4 finden: \varrho_c=\frac{x}{55},\ \lambda_s=\frac{f}{27}. Diese Ergebnisse gewinnt Newton auf elementarem Wege. Sie sind mit Hilfe der heutigen optischen Beweisführungsmethoden mit Leichtigkeit zu erhalten. Textabbildung Bd. 334, S. 213 Abb. 4. Zu Newtons Zeit beginnen die Versuche, die Abbildungsfehler der Fernrohrobjektive zu beseitigen. Man hatte erkannt, daß der Farbenfehler den Kugelgestaltfehler bei weitem überwog und war bemüht, ihn durch möglichste Vergrößerung der Brennweiten klein zu halten. Zu anderen Verfahren kam man zunächst noch nicht, obwohl wir schon bei Newton den Gedanken ausgesprochen finden, ein Objektiv aus zwei Linsen zu bilden, zwischen denen sich eine Wasserschicht befindet. Zu einem praktischen Versuch mit diesem Gedanken ist Newton nicht gekommen, er hielt vielmehr die Behebung der Farbenabweichung durch Verbindung verschiedener Gläser, gleicher Zerstreukräfte für unmöglich, weil er von der Proportionalität zwischen Brechungsindex und Zerstreuungsvermögen bei den verschiedenen Körpern überzeugt war. Im Jahre 1747 wiederholte Leonhard Euler den Newtonschen Fernrohr-Vorschlag, die Objektive aus zwei Linsen verschiedenen Stoffes, zwischen denen sich Wasser befände, zusammenzusetzen. Aber sein Versuch schlug fehl, weil er durch eine verfehlte Spekulation auf einen unrichtigen Zusammenhang zwischen Streu- und Brechkraft verfielSur la perfection des verres objectifs des lunettes. Mem. de Berlin 1747, S. 285, und histoires de l'Académie de Berlin 1747.. Angeregt durch die Eulerschen Veröffentlichungen übernahm der schwedische Physiker Klingenstierna Versuche, aus denen hervorging, daß es Glasverbindungen gibt, die trotz aufgehobener Brechung den Lichtstrahlen noch Farbenzerstreuung verleihen. Von der praktischen Aufgabe, farbenfreie Fernrohr-Objektive zu bauen, ging Dollond aus, der außer mit Euler auch mit Clairaut und Klingenstierna in Verbindung stand. Er ließ sich durch die negativen Ergebnisse der E u 1 er sehen Arbeiten nicht beirren, sondern ging nach zahlreichen Versuchen mit verschiedenen Glasprismen dazu über, ein achromatisches Fernrohrobjektiv tatsächlich herzustellen. Nach äußerst mühevollen Arbeiten gelang ihm dies im Jahre 1758, in welchem er das erste achromatische Fernrohr von 5 Fuß Brennweite herstellte, das zum Staunen der wissenschaftlichen damaligen Welt die bekannten zwanzigfüßigen Teleskope weit übertraf. (Fortsetzung folgt.)