Julius Robert von MayerVor zweihundert Jahren wurde J. R. von Mayer geboren, der als praktizierender Arzt ein bleibendes naturwissenschaftliches Erbe hinterließ

In der Medizin haben Untersuchungsmethoden, die auf physikalischen Resultaten basieren, große Bedeutung erlangt. Patienten erleben das heute auch an bildgebenden Diagnoseverfahren. Seit Röntgens Entdeckung sind dafür weitere physikalische Wirkprinzipien erschlossen worden, zu denen inzwischen sogar kernphysikalische Effekte gehören.

Die Grenze zwischen Medizin und Physik ist aber nicht nur von der physikalischen Seite her überschritten worden. Vielmehr wirkten Mediziner auch auf die Physik zurück. Hier zeichnet sich eine lange Traditionslinie ab, die mit solchen Namen wie Abu Ali ibn Sina oder von Helmholtz belegt werden kann. Der persische Arzt ibn Sina (um 980-1037), der in seinen Schriften die Philosophie des Aristoteles tradierte, war im Mittelalter Europas als Avicenna geschätzt. Er trug hier dazu bei, den Baugrund für das Gebäude der modernen Physik vorzubereiten. Wichtige Bau-steine hat dazu auch H. von Helmholtz (1821-1894) geliefert, der seine wissenschaftliche Laufbahn als Militärarzt in Potsdam begann, um sie als Ordinarius für Physik an der Universität Berlin zu beenden. Er stellte 1858 die bis heute gültigen mathematischen Grundlagen der Kinematik und Dynamik deformierbarer Medien bereit.

Zu denen, die als Ärzte wichtige Beiträge zur modernen Physik lieferten, zählt auch Julius Robert von Mayer. Er kam am 25.11.1814 in Heilbronn zur Welt und praktizierte nach dem Studium dort als Arzt. Als Mayer am 20.03.1878 starb, hatte er mit einer ersten Fassung des Energiesatzes internationale Berühmtheit erlangt und allen späteren Bemühungen um dieses Thema eine bis heute wirkende Prägung gegeben.

In den frühen Jahre Mayers griff die von Großbritannien ausgehende Industrialisierung auf Deutschland über und leitete die Industrielle Revolution als einen tiefgreifenden wirtschaftlichen Wandel ein. Voraussetzung dieser Umwälzung waren bahnbrechende konzeptuelle Erkenntnisse in Mathematik, Naturwissenschaft und auch Medizin, die in der Zeit zwischen Reformation und Französischer Revolution das Naturverständnis in Europa vollkommen veränderten [1].

Im Zuge dieses allgemeinen Aufbruchs war am Ende des 18. Jh. auch eine Debatte über das Wesen der Wärme im Gange. Obwohl es sich um ein Alltagsphänomen handelt, war es bis dahin nicht gelungen, der Wärme einen endgültigen Platz im Begriffsystem der Physik zuzuweisen. Vorherrschend war eine stoffliche Auffassung. Sie wurde vom französischen Wissenschaftler A. L. de Lavoisier vertreten, der 1787 die Existenz eines Wärmestoffes, des Caloricums, postulierte. Er stellte sich diese hypothetische Substanz als ein unsichtbares und gewichtsloses Fluid vor. Bei diesem Ansatz erschien ein Körper wie ein Gefäß, das bei einer bestimmten Temperatur eine bestimmte Menge Caloricum enthält. In der Fachwelt wurde diese Auffassung nicht allgemein akzeptiert [2]. So war die Frage nach der physikalischen Natur der Wärme um das Jahr 1840 noch offen, als sie J. R. von Mayer erneut grundsätzlich aufwarf. Indem er dabei zur Einsicht gelangte, Wärme und mechanische Arbeit seien wesensgleich, prägte er allen späteren Bemühungen um dieses Thema seinen Stempel auf. In der Abhandlung „Über die quantitative und qualitative Bestimmung der Kräfte“, die Mayer 1841, allerdings vergeblich, in den Annalen der Physik (und Chemie) zur Publikation einreichte, formulierte er als erster die Idee vom unzerstörbaren Bestand der Energie. Dem diffusen Sprachbrauch der Zeit entsprechend, die physikalischen Begriffe Kraft und Energie wurden erst mehr als ein Jahrzehnt später abgegrenzt, schrieb er allerdings noch über die Erhaltung der Kraft. Von seiner Idee überzeugt, trat Mayer, unbeirrt vom Misserfolg, schon im folgenden Jahr (1842) mit den tiefer durchdachten „Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur“ an die Öffentlichkeit [3]. Die Arbeit erschien in den Annalen der Chemie und Pharmazie. Dort heißt es: „Wir sahen in unzähligen Fällen eine Bewegung aufhören, ohne daß letztere eine andere Bewegung, oder eine Gewichtserhebung hervorgebracht hätte; eine einmal vorhandene Kraft kann aber nicht zu Null werden, sondern nur in eine andere Form übergehen und es fragt sich somit, welche weitere Form die Kraft, welche wir als Fallkraft und Bewegung kennen gelernt, anzunehmen fähig sey? Nur die Erfahrung kann uns hierüber Aufschluß ertheilen.“

Hier vertritt Mayer als Erster den Gedanken, dass Energie weder geschaffen noch verschwinden kann. Eine Energie kann vielmehr nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Außerdem war er jetzt darauf bedacht seine Auffassung experimentell zu stützen. Im Rückblick muß auch Mayers Befund „Wasser erfährt, wie der Verfasser fand, durch starkes Schütteln eine Temperaturerhöhung. Das erwärmte Wasser (von 12° und 13°C) nimmt nach dem Schütteln ein größeres Volumen ein, als vor demselben; woher kommt nun die Wärmemenge, welche sich durch wiederholtes Schütteln in demselben Apparate beliebig oft hervorbringen läßt?“ als Pionierleistung gelten. In der Arbeit von 1842 hat Mayer sein Konzept auch theoretisch untermauert. So befaßte er sich mit dem „Wechselkurs“ der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit und konstatierte, dass eine kcal Wärmeenergie der mechanischen Arbeit von 365 kpm entspricht. Das war zwar nur eine Näherung. Sie bleibt dennoch eine großartige Leistung, weil Mayer den Umrechnungsfaktor aus dem Unterschied zwischen den spezifischen Wärmen des idealen Gases bei konstantem Volumen und bei konstantem Druck ermittelte. Dieser anspruchsvolle Rechengang kann hier auch nicht ansatzweise nachvollzogen werden. Festgehalten werden sollte jedoch, dass sich dadurch Bemerkungen über Mayers angeblich unzureichendes physikalisches Wissen, die in der Literatur manchmal aufscheinen, etwas relativieren dürften [2].

Mit Mayers Entwurf war ein neuer Diskussionsstand als sichere Grundlage für künftige Überlegungen gewonnen. Als bahnbrechend muß gelten, dass Mayer die Wärme-Arbeit-Äquivalenz zum allgemeinen Satz von der Erhaltung der Energie erweiterte [3,4]. Es gibt kein Perpetuum mobile erster Art, also eine Maschine, die Energie aus dem Nichts schöpft. Was Mayer noch verbal formulierte, ist heute in einer mathematischen Fassung als I. Hauptsatz der Thermodynamik bekannt [5,6,7]. Es handelt sich um einen Fundamentalsatz, der nicht auf noch tieferliegenden Erkenntnissen basiert, sondern allenfalls durch Experimente falsifiziert werden kann. Die Erfahrung hat jedoch den I. Hauptsatz immer wieder bestätigt, so dass er heute als eine Grundlage der Thermodynamik allgemein akzeptiert ist. So gesehen hat Mayer einen wichtigen Abschnitt zur Gründungsurkunde einer neuen physikalischen Disziplin beigesteuert und steht ganz nahe an deren Anfang.

Die Thermodynamik hat sich seit Mayers Lebzeiten weiter entfaltet und übt speziell über ihre Teilgebiete Chemische und Technische Thermodynamik einen großen Einfluß auf heutige Industriegesellschaften aus. Diese Disziplinen liefern wichtige Grundlagen für die Planung, den Bau und den Betrieb von Anlagen der chemischen Industrie und der Energietechnik. Noch tiefer in unseren Alltagsbereich hinein aber wirkt die Thermodynamik über Geräte zur Heizung, Klimatisierung und Kühlung. Selbst Urlauber, welche die am Meeresstrand brechenden Wellen beobachten und dabei Ruhe finden, haben es mit einem Phänomen zu tun, in dem sich der Energiesatz äußert. Wer diese Annehmlichkeiten zu schätzen weiß, muß ihren physikalischen Hintergrund nicht unbedingt kennen. Er sollte sich aber gelegentlich vor Augen halten, dass er an Resultaten einer Wissenschaft partizipiert, die vor etwa 150 Jahren auch von J. R. von Mayer mit begründet worden ist und daran denken, dass Mayer seine Ansicht gegen unverständige Zeitgenossen mit großem Einsatz durchkämpfen mußte und deswegen mit seiner Familie viel zu leiden hatte. Auch so gesehen verdient Mayer heute noch unseren Respekt und wir haben allen Grund, sein Andenken wach zu halten. Um die Leistung J. R. von Mayers aus heutiger Sicht zu werten, sollte man bedenken, dass auch in der Physik als exakter Naturwissenschaft vieles im Fluss ist. So mehren sich z. B. inzwischen Stimmen, die einer tiefergehenden Fundierung der Gravitationstheorie das Wort reden [8]. Der Satz von der Erhaltung der Energie ist dagegen auch nach 150 Jahren unangefochten. So kann J. R. von Mayer mit einigem Recht einen Platz unter den bedeutendsten Naturwissenschaftlern des 19. Jh. beanspruchen.

Der Energiesatz wirkt über die Thermodynamik hinaus und ist als eine wichtige Grundlage auch solcher Diszi-plinen wie Quantenmechanik, Elektrodynamik, und Relativitätstheorie, die zu Mayers Zeiten nicht bekannt waren, etabliert. Die Auseinandersetzung mit diesem Sachverhalt hat inzwischen eine breitere theoretische Perspektive auf den Energiesatz als grundlegendes Naturgesetz eröffnet. So erkannte die deutsche Mathematikerin E. Noether 1918 den Zusammenhang zwischen den Erhaltungssätzen der Physik und elementaren geometrischen Symmetrien in Raum und Zeit. Insbesondere gilt nach einem Noetherschen Theorem der Energieerhaltungssatz immer dann, wenn der betrachtete Prozess symmetrisch in der Zeit ist [8]. Grob gesprochen bedeutet das: Ein physikalischer Vorgang, der in der Gegenwart zu einem bestimmten Ergebnis führt, ist auch früher so verlaufen und wird künftig bei gleichen Bedingungen das gleiche Resultat liefern. Die aus dem Energiesatz resultierende Gewissheit, dass Abläufe und Ergebnisse physikalischer Prozesse nicht davon abhängen, zu welchem Zeitpunkt sie in Gang gesetzt wurden, ist für unser Weltverständnis fundamental. In einer sich unablässig wandelnden Gegenwart, in der nichts mehr beständig zu sein scheint, dürfte es tröstlich sein zu wissen, dass wichtige naturwissenschaftliche Grundlagen der Zivilisation, die im Gefolge von Renaissance und Reformation in Westeuropa entstanden ist, gegen das Vergehen von Zeit immun sind.

Literatur beim Verfasser

J. Biehounek,
Dessau-Roßlau