Joseph Petzval

Jozef Maximilián Petzval, auch: deutsch Josef Maximilian Petzval oder ungarisch: Petzval József (oder Józeph) Miksa, (* 6. Januar 1807 Spi?ská Belá (dt. Zipser Bela, ung. Szepesbéla)- ? 19. September 1891 in Wien) war ein vielseitiger Mathematiker und Physiker slowakischer Abstammung, dessen Karriere in Ungarn begann und in Österreich ihren Höhepunkt erreichte.

Er war einer der Begründer der geometrischen Optik, der modernen Fotografie und Kinematografie, Erfinder des Porträtobjektivs, des Opernglases, einer der Entdecker der Laplace-Transformation, und Entdecker des modernen anastigmatischen Linsensystems.

Familie und Nationalität

Geboren wurde er auf dem Gebiet der Slowakei (Komitat Zips), die damals ein Bestandteil des Königreichs Ungarn war, das wiederum Bestandteil der Österreichischen Monarchie war. Seine Muttersprache war Slowakisch. Seine Familie scheint in der Zips von der dortigen deutschen Bevölkerung stark beeinflusst worden zu sein. Die ersten 18 Jahre seines Lebens verbrachte er in der Slowakei. Die folgenden 11 Jahre verbrachte er im heutigen Ungarn. Die restlichen 53 Jahre verbrachte er in Wien, wodurch die meisten seiner Werke auf Deutsch erschienen.

Sein Vater Ján Fridrich Peczival (Petzval) (1775?-1852) war entweder ein Slowake oder ein Tscheche. Heute überwiegt die Meinung, dass er mit einem gewissen Ján K?titel Pecival identisch ist, der am 4. Juli 1775 in Mähren im Dorf Lod?nice geboren wurde. Dieser bewarb sich 1799 erfolgreich um die Stelle des Lehrers an der evangelischen Schule in Spi?ská Belá. 1801 heiratete er dann Zuzana/Zsuzsanna Kreutzmann, die Tochter des vorherigen Lehrers von Spi?ská Belá. Über deren Nationalität ist lediglich nur bekannt, dass sie in Spi?ská Belá geboren wurde. Wenn aber die Muttersprache seines Vaters Tschechisch war, die von Jozef aber Slowakisch, muss ihre Muttersprache slowakisch gewesen sein. Sie hatten zusammen 6 Kinder: die vorzeitig gestorbenen Gustáv Adolf Petzval (1800 - 1803) und Nestor Aemilianus Petzval (1804-1806), sowie Jozef Maximilián Petzval (1807-1891), Otto Baltazár Petzval (1809-1889) und drei Töchter. 1810 zog die Familie nach Ke?marok und 1819 nach Levo?a um.

Jozefs ganze Familie zeichnete sich durch eine angeborene Begabung für Technik aus. Sein Vater arbeitete als Lehrer und Organist in Spi?ká Belá , dann als Lehrer und Kapellmeister in Ke?marok und schließlich als Kapellmeister und städtischer Geometer in Levo?a. Er war in der Gegend als hervorragender Musiker, Komponist und Mechaniker, aber auch als ein sonderbarer Mensch bekannt. 1824 hat er zwei Erfindungen patentieren lassen - zum einen eine Perfektionierung (nach manchen Quellen Entdeckung des Prinzips der) Schlaguhr, zum anderen den Entwurf einer als "Polygraph" bezeichneten Schreibmaschine. Josefs Bruder Otto Baltazár Petzval war wiederum ein bekannter Mathematiker, Mechaniker und Astronome.

Leben

In Ke?marok besuchte Petzval die Volksschule, in Ke?marok und Podolínec begannen auch sein gymnasialen Studien. Am 1. Oktober 1819 siedelte er mit seiner Familie nach Levo?a um, wo er auch das dortige Progymnasium und Hauptgymnasium besuchte. Sowohl in der Volksschule, als auch im Gymnasium zählte er zu den Klassenbesten in den Fächern Latein (die damalige Sprache der Intelligenz im Königreich Ungarn) und Religion, hatte aber Probleme mit dem Fach Ungarisch. Vor seiner Ankunft in Levo?a war er interessanterweise auch in der Mathematik ein sehr schwacher Schüler. Im Laufe seiner Studien in Levo?a haben sich aber seine Leistungen in Mathematik deutlich verbessert. In diesem Zusammenhang wird oft eine - zweifellos der Wahrheit entsprechende Geschichte - erwähnt: Als seine Familie bereits beschlossen hatte, aus Jozef einen Schuster zu machen, las er während der Sommerferien nach der vierten Klasse der Volksschule, während derer er sich für eine Wiederholungsprüfung aus Mathematik vorbereiteten musste, das Buch ?Analytische Abhandlung über die Elemente der Mathematik" des deutschen Mathematikers Hauser. Danach ist aus dem schwachen Mathematiker auf Anhieb ein Mathe-Genie geworden.

Nach dem Abschluss seiner gymnasialen Studien beschloss er, am Institutum Geometricum, der Ingenieursfakultät der Pester Universität, weiter zu studieren. Dazu musste er aber zuerst ein zweijähriges Lyzeum absolvieren, was er auch 1823-1825 in Ko?ice tat. Als er 1823 nach Ko?ice ging, kannte er sich bereits in den Fächern Latein, mathematische Analyse, klassische Literatur und Stilistik aus, und sprach neben Slowakisch und Latein auch schon ein perfektes Tschechisch, Deutsch und Ungarisch. Mit der Hilfe seines Vaters lernte er auch Französisch und Englisch.

Nach der Absolvierung des Lyzeums arbeitete er ein Jahr lang als Erzieher bei den Almássy Grafen im Heves Komitat, was ihm neben dem dringend notwendigen Geld auch wichtige gesellschaftliche Kontakte brachte.

1826-1828 studierte er an dem vorstehend genannten Institutum Geometricum in Pest und erhielt 1828 ein Ingenieursdiplom. 1828 inskribierte er an der Philosophischen Fakultät der Universität und wurde 1831 zum Adjunkt am Lehrstuhl für Physik ernannt. 1828-1835 arbeitete er dann parallel als städtischer Ingeniuer im Dienste der Stadt Pest (vor allem als Fachmann für Hochwasservorbeugung und Abwasserkanäle) und studierte gleichzeitig Mathematik, Mechanik und praktische Geometrie weiter. Er war der Autor eines nicht umgesetzten Entwurfs eines Schifffahrtskanals, der Pest umgehen sollte. 1830 retteten seine Dammberechnungen Pest vor einer Überschwemmung durch ein Donauhochwassers. Nachdem er 1832 sein Doktorat an der Philosophischen Fakultät erhalten hatte, unterrichtete er als Suppleant des Professors der Budapester Uni für diese Fächer. Während dieser Zeit erhielt er auch ein Diplom aus Mathematik. 1835 wurde er zum Universitätsprofessor für höhere Mathematik ernannt.

Nachdem er 1836 von der Wiener Universität eingeladen wurde, nahm er 1837 einen Lehrstuhl für Mathematik an der Wiener Universität an und arbeitete dort dann bis 1877 als ordentlicher Professor für Mathematik. Neben der Mathematik befasste er sich aber auch mit der Mechanik, Ballistik, Optik und Akustik. Seine Vorlesungen aus der Theorie der algebraischen Gleichungen, der Integration von linearen und Differentialgleichungen mit konstanten und variablen Koeffizienten, Ballistik, Undulationstheorie und anderen Gebieten waren auf hohem Niveau und wurden häufig besucht.

In Wien zog er in ein gemietetes verlassenes Kloster am Kahlenberg (nach manchen Quellen erst nach 1859) ein. Er hatte dort auch eine eigene Glasschleifwerkstatt, in der er Linsen produzierte, die damals weltberühmt waren. Er war ein geschickter Schleifer und Feinmechaniker.

1840 entdeckte er seine berühmte Porträtlinse (siehe weiter). 1845 begannen seine Streitigkeiten mit dem Unternehmer Peter Wilhelm Friedrich von Voigtländer (1812?1878, siehe weiter). 1859 wurde in seine Wohnung eingebrochen, seine Handschriften und die Ergebnisse langjähriger optischer Forschungen wurden zerstört. Dem enttäuschten Petzval ist es nie mehr gelungen die Unterlagen wieder zusammenzubringen. Sein bereits im Manuskript abgeschlossenes mehrbändiges Fachbuch über die Optik konnte dadurch nie erscheinen. Von da an befasste er sich mit der Akustik und begann sich zurückzuziehen. 1862 scheiterte sein Unternehmen mit Carl Dietzler (starb 1872, siehe weiter).

1869, im Alter von 62 Jahren, heiratete er seine Haushälterin, die jedoch vier Jahre später starb. 1877 stellte er seine Vorlesungen ein, zog sich am Kahleberg zurück und wurde zu einem Einzelgänger.

Er starb 1891 fast vergessen, verbittert und arm in Wien. Sein Grab befindet sich auf dem Wiener Zentralfriedhof. Seine Verbitterung war wohl auf dem Streit mit Voigtländer, auf den Einbruch von 1859, auf das Scheitern des Dietzler-Unternehmens, sowie generell auf die Tatsache, dass er für seine lebenslange Arbeit im Optikbereich nie belohnt wurde, zurückzuführen. Aus der Zeit kurz vor seinem Tod stammt daher auch sein berühmter Satz: "Ich habe das Licht bezwungen, ich habe es fest in der Hand, weil es in der Welt zu viel Dunkelheit gibt."

Privatleben und Hobbies

In seinem Privatleben war Petzval war ein guter Sportler und Reiter. Schon als Schüler in der Slowakei machte er mit seiner Familie oft Wanderungen in die Hohe Tatra und widmete sich auch der Athletik. In Wien war er lange Zeit der beste Fechter und Ringkämpfer der Stadt. Von seinem Vater erbte er auch ein ausgezeichnetes Musiktalent. Zu seinen Vorlesungen in Wien ritt er angeblich immer auf einem arabischen Rappen.

Petzval selbst wollte nie etwas über seine privaten Verhältnisse mitteilen, weswegen er auch zu seinen Lebzeiten relativ unbekannt geblieben ist. Wie es Dr. Ermenyi in seinem Buch "Dr. Josef Petzval`s Leben" schildert: ". . . er ging darin so weit, dass er beispielsweise in dem alljährlich erscheinenden Almanach der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, in welchem neben den Namen der Mitglieder auch das Datum und der Ort der Geburt angeführt erscheint, für sich in diese Rubrik stets einen blossen Punkt eingesetzt hatte." Außerdem hatte er einen Hang zur Zurückgezogenheit. Am Ende seines Lebens lebte er sogar zunehmend in völliger Abgeschlossenheit mit einem Pferd in "seiner Burg" am Kahlenberg, obwohl ihn mehrere Akademien und gelehrte Gesellschaften zu ihrem Mitglied ernannten (Mitglied der Akademie der Wissenschaften in Wien (1846/1849), externes Mitglied der Ungarischen Akademie der Wissenschaften (1873), Ehrenmitglied der Union der tschechischen Mathematiker und Physiker (1881), Träger der französischen Charles Chevalier-Platinmedaille usw. ).

Seine Streitigkeiten

Petzval war eine sehr anspruchsvolle Person - sowohl sich selbst gegenüber, als auch gegenüber anderen. Daraus resultierte wohl sein kritisches, streitsüchtiges und sarkastisches Gemüt, das ihm vor allem in der Mathematik viele Konflikte einbrachte.

Petzval hatte u. a. einen Streit mit Christian Doppler über Probleme der Akustik (Doppler, Christian: Bemerkungen über die von dem Herrn Prof. Petzval gegen die Richtigkeit meiner Theorie vorgebrachten Einwendungen. Wien, Braumüller 1852).

Vor allem aber war er in lange Streitigkeiten mit dem Unternehmer Voigtländer verwickelt. Sie begannen 1845, als Petzval sich zu beschweren anfing, dass er betrogen wurde. Daraufhin verschob Voigtländer seine Produktion nach Braunschweig in Deutschland, wo er dann in den nächsten 20 Jahren etwa 60 000 Petzval-Linsen produzierte. Petzval hingegen arbeitete seit 1854 mit dem österreichischen Optikproduzenten Dietzler zusammen, so dass die Petzval-Linsen sowohl in Österreich von Dietzler, als auch in Deutschland (auch für Österreich) von Voigtländer produziert wurden. 1857 wurde dann zudem Petzvals Landschaftsobjektiv von Dietzler unter der Bezeichnung "Photographischer Dialyt" verkauft, während es Voigtländer als das "Voightländer Orthoskop" verkaufte. Nach weiteren Machenschaften Voigtländers ging jedoch Dietzler 1862 pleite und nach Drohungen seitens Petzvals stellte Voigtländer 1866 all seine Betriebe in Österreich. Nach dem Fehlschlag des Dietzler-Unternehmens hätte Petzval eigentlich selber die Vermarktung übernehmen sollen, nach dem Einbruch in sein Haus von 1859 hat er sich jedoch nie mehr mit der Optik befasst (1862 stellte er auch entsprechende Vorlesungen ein) und widmete sich dann überwiegend der Akustik.

Entdeckungen und Erfindungen

Optik

Seine größten Erfolge erreichte er auf dem Gebiet der geometrischen Optik. Am 19. August 1839 stellte Louis Jacques Mandé Daguerre in Paris seine Erfindung, die Daguerreotypie (die erste Form einer dauerhaften Fotografie) vor. Nach seiner Rückkehr aus Paris informierte Petzvals Kollege und Freund, der Wiener Professor Andreas von Ettingshausen, Petzval über das damals größte Problem der Daguerrotypie, nämlich dass die Belichtungszeit bei der Porträtierung bis zu 30 Minuten dauerte. Auf das Drängen von Ettingshausen hin richtete sich Petzval am Kahlenbergs in Wien eine Werkstatt und ein Laboratorium ein und entwarf 1840 nach sechs Monaten komplizierter Berechnungen ein vierlinsiges Porträtobjektiv sowie ein vierlinsiges Landschaftsobjektiv (beide Objektive werden in der Regel als die Petzval-Linse bezeichnet). Für die Berechnungen wurden ihm von Erzherzog Ludwig (Oberbefehlshaber der Artillerie) 8 Artillerie-Kanoniere und 3 Korporale zur Verfügung gestellt, da die Artillerie damals zu den wenigen Berufen gehörte, bei denen man mathematische Berechnungen vornahm.

Petzvals weltweit erstes Porträtobjektiv (Petzval-Porträtobjektiv) war ein anachromatischer Vierlinser (Doppelachromat, 4 Linsen in 3 Gruppen). Seine Lichtstärke war viel höher (F=1:3,6 bei einer Brennweite von 160mm) und die Belichtungszeit dadurch viel kürzer (je nach Lichtquelle etwa 15-30 Sek. ) als es bei dem Daguerre-Objektiv von 1839, d. h. bei der sog. Wollaston-Chevalier-Linse (F=1:16; Belichtungszeit je nach Lichtquelle etwa 15-40/ 70-80 Min.)der Fall war. Damit wurden die ersten Momentaufnahmen der Welt möglich. Die Porträtlinse bestand aus einer verkitteten Doppellinse vorne (F=1:5) und einer Doppellinse mit Zwischenraum hinten. Die hintere Doppellinse war zur Korrektur des sphärischen Fehlers und des Komafehlers erforderlich. Die Chevalier-Linse verwendete zwar zwei verkittete Doppellinsen, wurde aber durch die Petzval-Linse sofort ersetzt, so dass die Petzval-Porträtlinse auch die erste allgemein verwendete verkittete Linse war. Die ersten Porträtlinsen waren eher klein und hatten einen Durchmesser von 2,6 cm. Der Optiker Dietzler produzierte dann aber seit 1856 Petzval-Linsen mit 15 cm-Durchmesser und einem Gewicht von 15kg, mit denen man Porträts von 33x42 cm machen konnte.

Noch im selben Jahr (1840) überließ Petzval sein Porträtobjektiv dem Wiener Unternehmer Peter Wilhelm Friedrich von Voigtländer gegen eine lächerliche einmalige Zahlung von 2000 Gulden, ohne Patentierung und ohne Vertrag, was später zu einem dauerhaften Streit zwischen Petzval und Voigtländer führte (siehe oben). Voigtländer, der auch selber ein Paar Berechnungen hinzufügte, baute die Objektive seit 1841 (Prototyp im Mai 1840) in die von ihm produzierten Daguerrotypie-Kameras ein und verdiente damit ein Vermögen. Es handelte sich um eine Röhrenkamera aus Messing, die runde Daguerreotypie-Platten von 8 cm Durchmesser belichtete (es ist das goldenfarbige Gerät auf [1] (http://www.kosice.sk/kultura/museum/stm/petzval.htm)). 1841 wurde diese Kamera in einer Stückzahl von 600 gebaut, und zu einem Preis von 120 Gulden verkauft. Voigtländer erhielt für dieses Objektiv eine Medaille auf der Weltausstellung in Paris. Diese weltweit ersten Fotoapparate aus Metall waren Prototypen der heutigen modernen Fotoapparate. Es dauerte weitere etwa 50 Jahre bis ein besseres Objektiv auf den Markt kam. Petzvals Porträtobjektiv wurde bis in die 1920er (oft unter anderen Namen) in Fotoapparaten verwendet und wird auch heute noch in Projektoren eingesetzt. Das Objektiv spielte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Fotografie und Kinematografie.

Mit seinem vierlinsigen Landschaftsobjektiv, das sich vor allem durch seine hohe Lichtstärke auszeichnete (Orthoskop), war Petzval hingegen unzufrieden und nach Verbesserungen ließ er es 1857 produzieren und patentieren. Das von Dietzler produzierte Fotoapparat mit dem neuen Landschaftsobejktiv besaß eine leichte zusammenklappbare Kammer mit einem doppelten Balg. Aber auch von diesem Objektiv hatte Petzval nie einen kommerziellen Gewinn.

Zu seinen weiteren Erfindungen zählen insbesondere die Erfindung des Opernglases, die Perfektionierung des Fernrohres und des Mikroskops (Berechnung entsprechender Linsensysteme, 1843), Berechnungen für leistungsfähige Feldstecher und Konstruktion neuartiger Scheinwerfer (1847). Sein Plan zur Konstruktion von Beleuchtungsanlagen zur Beleuchtung von Schiffen auf der Donau konnte nicht verwirklicht werden. Seine spezielle Spiegellampe (Petzval-Lampe), die eine maximale Ausnutzung von Lichtenergie ermöglichte, wurde vor allem für die von ihm entwickelten lichtstarken Projektionsapparate verwendet. Aufgrund einer in einem seinem Nachlass gefundenen Aufzeichnung muss man ihn auch als den Erfinder des modernen anastigmatischen Linsensystems ansehen. Um 1860 führte er mit einem von ihm konstruierten Gerät photogrammetrische Messungen durch.

Zudem wies er wissenschaftlich nach, dass glühende feste Körper mehr Licht ausstrahlen als brennende Gase. Dieses Prinzip wandte später Carl Freiherr Auer von Welsbach bei der nach ihm bennanten Gasglühlampe an.

Petzvals Objektive werden heute noch vor allem in der Kinematographie, in der Astronomie und in der Messtechnik verwendet. In der Astronomie war vor allem das Astro-Petzval-Objektiv von Bedeutung. Dieses Objektiv hat eine verzerrungsfreie Abbildung eines großen Teils des Himmels, sowie das Fotografieren von Galaxien und Sternenfeldern möglich gemacht. Deutsche Optikfirmen (Töpfer, Voigtländer, Zeiss) haben das Astro-Petzval-Objektiv bis in die 1940er Jahre erzeugt.

Der größte Beitrag Petzvals sind jedoch die theoretischen Grundlagen für die Konstruktion und Korrektion von optischen Linsensystemen. Er leistete grundlegende Arbeiten zur Theorie der Abbildungsfehler optischer Systeme. Einige zentrale Begriffe dieses Felds sind später nach ihm benannt worden:

• Die Petzval-Fläche ist die im Allgemeinen gekrümmte Bildfläche eines unkorrigierten optischen Systems, ein Rotationsparaboloid.
• Bei Einhaltung der Petzval-Bedingung ist die Petzval-Fläche eben.

Das von ihm vorbereitete mehrbändige Werk über die Optik ist zum größten Bedauern aller Physiker nie erschienen.

Mathematik

In der Mathematik betonte er immer ihre praktische Anwendbarkeit. Er sagte dazu: "Die Menschheit existiert nicht um der Wissenschaft willen, sondern die Wissenschaft sollte betrieben werden, um die Bedingungen der Menschheit zu verbessern.".

Er arbeitete unter anderem an Anwendungen der Laplace-Transformation. Eigentlich sollte sie Petzval-Transformation heißen, benannt nach Petzval, der sie und ihre Anwendung in gewöhnlichen linearen Differentialgleichungen als erster systematisch studierte. Seine Arbeit war sehr gründlich, aber noch nicht ganz zufriedenstellend, da er keine Randintegration verwenden konnte, um die Transformation zu invertieren. Er schrieb darüber eine Abhandlung in zwei Bändern sowie eine lange Arbeit. Ein Streit mit einem Studenten (Simon Spritze), der Petzval zu Unrecht des Plagiates von Pierre Simon de Laplace bezichtigte, führte jedoch dazu, dass die zweifellos von Spritzer beeinflussten Mathematiker George Boole and Jules Henri Poincaré die Transformation später nach Laplace benannten.

Petzval versuchte aber praktisch alles in seiner Umgebung mathematisch darzustellen. So versuchte er auch das Fechten oder den Gang des Pferdes mathematisch zu lösen. Diese seine Mathematik-Besessenheit führte letztenendes auch zur Entdeckung des Porträtobjektivs.

Akustik

Im Bereich der Akustik befasste er sich vor allem mit Saitenschwingungen, Differentialgleichungen der Saitenschwingungen, mit der mathematischen Theorie der Musikinstrumente. Er konstruierte auch ein Klavier mit drei Tastenreihen. Er stellte eine Theorie für die Schwingungen gespannter Saiten sowie eine eigene Theorie der Tonsysteme auf.

Nach ihm benannte Objekte

In seinem Geburtshaus befindet sich seit 1964 das Jozef Maximilián Petzval-Museum der Geschichte der Foto- und Kinematografie (Teil des Slowakischen Technischen Museums in Ko?ice). Ein Krater auf der Kehrseite des Mondes (Durchmesser: 150 km, Breite: 63° D, Länge: 113° Ny), sowie Straßen und Statuen in der heutigen Slowakei, Österreich und Ungarn tragen seinen Namen. 1980 wurde auf Antrag des Astronomischen Instituts in Tatranská Lomnica auch ein in Tschechien entdeckter Planetoid nach ihm benannt (3716 Petzval, 1980 TG), da Petzvals Porträtobjektiv am Ende des 19. Jahrhunderts die Entdeckung vieler Planetoiden ermöglichte. Das österreichische Unterrichtsministerium verleiht seit 1928 die Petzval-Medaille für besondere Leistungen auf dem Gebiet der wissenschaftlichen Fotografie.

Einige seiner Werke

• Bericht über die Ergebnisse einiger dioptrischen Untersuchungen (auf Deutsch, Pest, 1843)
• Integration der linearen Differentialgleichungen mit einem konstanten oder variablen Koeffizienten (1847), bzw. Integration der linearen Differentialgleichungen (I.-II., Wien, 1853-59) - sein Hauptwerk
• Bericht über optische und dioptrische Untersuchungen (Sitzungsberichte, Wien, 1857)

Manuskripte (Teile davon wurden 10 Jahre nach seinem Tod gefunden) [hier aus einer slowakischen Quelle frei übersetzt]:

• Theorie der Tonleitersysteme
• Theorie der Stützlinien
• Petzvals siebenstellige Logarithmen

... und etwa 90 weitere Mathematikstudien und -arbeiten