Julius Robert von Mayer

Julius Robert von Mayer (1814–1878) var en tysk lege, kjemiker og fysiker, og regnes som en av grunnleggerne av termodynamikken. Mayer studerte medisin og etter avsluttende eksamener ville han dra til sjøs. Han ble godkjent som skipslege dro med et frakteskip til Batavia (dagens Jakarta). Om bord på skipet la han merke til at sjømennenes veneblod var lysere enn det han hadde observert hos pasienter hjemme i Tyskland. Han antok at denne endringen skyldtes at varme klimaet førte til at kroppens forbrenning ble redusert. Han mente også å observere at når havvannet ble opprørt av storm, så ble det også varmere. Det fikk han til å fundere på om varme ble utviklet i vannet direkte eller indirekte ved bevegelse. Da han kom tilbake til sitt hjemsted ble han lege der. I fritiden var han opptatt med eksperimenter i fysikk, og brukte mye tid på abstrakte konsepter om energi.

Mayer var en av de første som kom med en teori om bevaring av energi, det som nå er kjent som termodynamikkens første hovedsetning og som ble mer komplett beskrevet av Hermann von Helmholtz i 1847. Prinsippet går ut på at energi verken kan skapes eller ødelegges, bare omformes fra én form til en annen. Han kom også med en hypotese om at planter konverterer lys til kjemisk energi, senere kjent som fotosyntese.

Bakgrunn og utdannelse 
Julius Robert Mayer ble født den 25. november 1814 i Heilbronn, en liten by halvveis mellom Heidelberg og Stuttgart, som sønn av Christian Jakob og Katharina Elisabeth (født Heermann). Hans far eide et apotek med tilhørende laboratorium hvor Mayer og hans to brødre gjorde kjemieksperimenter. De tre brødrene hadde også tilgang til forskjellige apparater for å utføre fysikk- og kjemi-eksperimenter, i tillegg til botaniske samlinger, et utvalg av mineraler, medisinplanter og mange bøker. Som barn var han svært fascinert av alskens maskiner, og han prøvde å bygge en perpetuum mobile (evighetsmaskin). Både han selv og senere biografer har ment at hans barnelek med å bygge vannmøller og evighetsmaskiner ga han innsikt og inspirasjon til oppdagelser i voksen alder.

I 1829 begynte Mayer på videregående skole (evangelisch-theologisches Vorbereitungsseminar, norsk: evangelisk-teologisk forberedelsesseminar) i nabobyen Schöntal, hvor han var elev i to og et halvt år. Senere arbeidet han i farens apotek i ett og et halvt år, før han i 1832 ble tatt opp til medisinstudiet ved Eberhard-Karls-Universität Tübingen. Medisinstudiet ved dette universitetet var praktisk og empirisk orientert, mens flere andre universiteter på denne tiden gikk inn for en mer spekulativ tilnærming inspirert av naturfilosofi (tysk: naturphilosophie). Naturfilosofi var en spesiell filosofisk retning innenfor tysk idealisme.

Liv og virke

Praksis som skipslege 
I 1838 hadde han sine avsluttende eksamener. Han hadde da lyst til å dra til Øst-India, og dro derfor til Amsterdam i 1839 for å bli godkjent som skipslege. Den 23. februar 1840 forlot han Rotterdam som lege om bord på frakteskipet «Java» som satte kurs for Batavia (dagens Jakarta).

Om bord på skipet la han merke til at sjømennenes veneblod var påfallende lysere enn det han hadde observert hos pasienter hjemme i Tyskland. Han antok at denne endringen skyldtes det varme klimaet som førte til at kroppens forbrenning kunne reduseres og likevel opprettholde normal kroppstemperatur. Dette fikk ham til å tenke mer over temperaturens påvirkning på kroppens metabolisme. Forklaringen på fenomenet han observerte, er at den høye lufttemperaturen i tropene gjør at kroppens energiomsetning blir lavere enn i kaldere klima. Han mente også å observere at når havvannet ble opprørt av storm, så ble det også varmere. Det fikk han til å fundere på om varme ble utviklet i vannet direkte eller indirekte ved bevegelse.

Legepraksis i Heibronn 
I februar 1841 kom Mayer tilbake til Heibronn hvor han ble overlege (Oberamtswundarzt). Hele resten av livet var han lege i sin hjemby. I fritiden var han opptatt med eksperimenter i fysikk, og brukte mye tid på abstrakte konsepter om energi. Fra universitetet hadde han bare deltatt på ett semesterkurs i fysikk og ikke hadde han lært særlig mye matematikk heller, men allikevel skrev han manuskripter til vitenskapelige tidsskrifter. Disse var så ufullstendige at flere ble avvist av datidens vitenskapelige redaksjoner. Mayer bekostet imidlertid selv utgivelse av flere artikler, som resulterte i at de ikke var i sirkulasjon blant andre enn innbyggerne i Heibronn.

Mayer ble gift i den 31. mai 1842 med Wilhelmine Closs, men livet hans ble vanskelig da tre av hans barn døde mellom mai 1845 og august 1848. Senere døde også ytterligere to av hans til sammen syv barn. Dette ble ikke bedre av at en kontrovers mellom Mayer og den britiske fysikeren James Prescott Joule (1818–1889) ble offentlig kjent i Paris. Mayer var ute av seg fordi hans arbeider om energiformer var så lite påaktet og de få vitenskapsfolkene som leste artiklene hans, knapt tok tekstene hans alvorlig. De akademikerne som kjente til ham så på han som en eksentrisk filosof, mer enn en seriøs vitenskapsmann.

I mai 1850 kastet han seg ut fra soveromsvinduet og ble alvorlig skadet, men kom fra det med livet i behold. Han tilbrakte deretter tre år på mentalsykehus. Etter at han kom tilbake til Heibronn i 1853 utførte han ikke noe særlig mer vitenskapelig arbeid, men fortsatte til en viss grad å arbeide som lege. Hans vitenskapelige arbeider begynte imidlertid å oppnå en viss grad av anerkjennelsen på denne tiden. Hans følelse av å ha blitt ignorert i lang tid, kjenner man blant annet fra korrespondanse med den engelske fysikeren John Tyndall (1820–1893). Tyndall hadde sett på hans arbeid i 1862, og ga en vurdering av hans funn i en forelesning i The Royal Institution of Great Britain i London. Senere møtte Mayer Tyndall i Zürich på et møte i Schweizerische Naturforschergesellschaft, det sveitsiske naturforskerselskapet.

Mayer hadde religiøse grublerier. Han ga aldri opp sin sterke religiøse tro, selv om kulturen blant vitenskapsmenn i Tyskland på denne tiden ellers var mer antireligiøs og materialistisk orientert.

Energi og termosfysikk 
Mayers første forsøk på å bevise at energi er noe som ikke går tapt, men omformes til nye former, var en artikkel («Erhaltungssats der Kraft») som han sendte til forskningstidsskriftet Annalen der Physik (utgitt av Johan Christian Poggendorff). Han skrev til en venn og forklarte innholdet i artikkelen: «Min første artikkel vil inneholde [..] en kort oppsummering av teorien om invariabel kraft, sammenhengen mellom bevegelse og varme, anvendelse av doktrinen om parallellogrammet [av krefter], og et forslag om lysets natur og årsaken til solens varme.» Artikkelen inneholdt noen fundamentale feil, og ble derfor aldri utgitt. Mayer kom i kontakt med fysikkprofessor Johann Gottlieb Nörrenberg (1787–1862) ved universitetet i Tübingen, men han var ikke så interessert i Mayers hypoteser. Imidlertid kom Nörrenberg med noen forslag til hvordan Mayer kunne utforske sine ideer eksperimentelt. Han fikk forslag om å undersøke om kinetisk energi transformeres til varme, og om vann blir varmere ved å settes i bevegelse.

I 1842 beskrev han den «vitale kjemiske prosessen» som den primære kilden til energi for alle levende organismer på jorden. I nyere kjemi kalles denne prosessen for oksidasjon. Han foreslo også at planter står bak energiomforming fra solstråling, i dag kjent som fotosyntese.

Han fikk utgitt sin første artikkel i 1842 i forskningstidsskriftet Justus Liebigs Annalen der Chemie som fikk tittelen «Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur» (norsk: «Merknader om kreftene til livløs natur»). Til tross for at artikkelen inneholdt noen filosoferinger og unøyaktigheter, var essensen like fullt prinsippet om energibevaring i naturen. Det var også et forsøk på en kvantitativ definisjon av relasjonen mellom varmemengden kalori og energienheten joule. Beregningen han gjorde gikk ut fra en sammenheng mellom massen til et legeme som faller, avstanden det tilbakelegger og varmen som utvikles idet det treffer bakken. Om varme er en type energi, så mente han at energien må være bevart i prosessen. Han fant ut at 1 kalori er lik 3,59 Joule. Imidlertid er den aksepterte verdien senere blitt satt til 4,18. Selv om avviket var stort, så hadde hans tilnærming til problemet vært riktig. Med dette arbeidet hadde Mayer demonstrert at selv om varme og mekanisk arbeid er forskjellige former for energi, så kan den ene transformeres til den andre, og omvendt. Loven ble kalt Kalorische Theorie (norsk: kaloriteorien) og ledet frem til at senere vitenskapsfolk kom frem til den mer generelle loven om energibevaring, termodynamikkens første hovedsetning.

Mayer formulerte forholdet mellom spesifikk varme ved konstant trykk og den spesifikke varmen ved konstant volum for en ideell gass, kjent som Mayers relasjon,

hvor CP, m er spesifikk varme ved konstant trykk, CV, m er spesifikk varme ved konstant volum og R er gasskonstanten.

I 1845 publiserte han selv «Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhange mit dem Stoffwechsel» der han gjør rede for beregningene bak sitt tidligere arbeid. I 1848 ga han ut artikkelen «Beiträge zur Dynamik des Himmels und andere Aufsätze» (norsk: Bidrag til himmelhvelvingens dynamikk og andre artikler) der han gjør rede for at solen vil kjøles ned i løpet av 5000 år om den ikke får noen energitilførsel utenfra. Han kom opp med en hypotese om at solen aldri kommer til å slukne, men utstråler konstant energi på grunn av et «bombardement av energirike meteorer».

I 1867 utga Mayer artikkelen «Die Mechanik der Warme» (norsk: varmens mekanikk) som beskriver sammenheng mellom varme og bevegelse i mekanikken.

Utmerkelser og ettermæle 
På sine eldre dager fikk Mayer flere utmerkelser for sitt banebrytende arbeid innenfor fysikk. I 1859 ble han æresdoktor ved universitetet i Tübingen. Han mottok senere i 1871 Copleymedaljen fra Royal Society og Prix Poncelet fra det franske vitenskapsakademiet. I november 1867 ble han adlet og fikk navnet «von Mayer»

Formuleringen av sammenhengen mellom varme og arbeid, eller loven om energibevarelse, regnes hver for seg som en av de viktigste oppdagelser på 1800-tallet. Imidlertid var James Prescott Joule (1818–1889) inne på en lignende ide som ble presentert i 1843. Loven om energibevarelse, formulert som termodynamikkens første hovedsetning, som Hermann von Helmholtz (1821–1894) sammenfattet med artikkelen «Über die Erhaltung der Kraft» (Norsk: Om kraftens bevarelse) ble utgitt i 1847. Han tar utgangspunkt i det tidligere arbeidet til Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832), Benoît Paul Émile Clapeyron (1799–1864) og Joule, og postulerte at det var et forhold mellom arbeid, varme, lys, elektrisitet og magnetisme. Helmholtz behandlet alle disse som manifestasjoner av en enkelt kraft, eller energi i dagens terminologi.

Mayer døde av tuberkulose den 20. mars 1878.

Den østtyske spillefilmen Robert Mayer - der Arzt aus Heilbronn hadde premiere i 1955. Ved hans 200-årsdag i 2014 utga Deutsche Post et frimerke som avbilder en stilisert versjon av navnet hans.

Referanser

Litteratur  
 

Tyske fysikere
Medlemmer av Royal Society
Mottakere av Copleymedaljen