Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) var en tysk fysiker. Han ga flere bidrag av fundamental betydning for moderne naturvitenskap. Hans elektriske lover benyttes i all moderne elektroteknikk og elektronikk, mens hans innføring av spektroskopiske metoder gjør det mulig å utforske alt fra atomer i materialer til stjerner og galakser i Universet. Sammen med sin kollega Robert Bunsen oppdaget han på denne måten de to nye grunnstoffene cesium og rubidium. Et annet resultat av de samme studiene var formuleringen av Kirchhoffs strålingslov for varmestråling og dens sammenheng med sorte legemer. Han bidro også til utvikling av termodynamikk for kjemiske reaksjoner og viste hvordan diffraksjon av lys kan forklares matematisk direkte fra Maxwells ligninger for elektromagnetiske bølger. Gjennom sin undervisning og lærebøker bidro han til å bygge opp en sterk tradisjon innen teoretisk fysikk i Tyskland på slutten av det 19. århundret.
Biografi
Etter å ha gjort seg ferdig med sin gymnasutdannelse i 1842, begynte Kirchhoff samme år studier i matematikk ved Universitetet i Köningsberg. Her kunne han delta i det berømte matematisk-fysiske seminaret til Jacob Jacobi og Franz Ernst Neumann.K. Hübner, Gustav Robert Kirchhoff, Verlag Regionalkultur, Heidelberg (2010). ISBN 978-3-89735-606-1 Spesielt hadde Neumann en sterk innflytele på den unge Kirchhoff og fikk han mer interessert i fysikk enn ren matematikk. Det var også under dennes inspirasjon han skrev sitt første vitenskapelige arbeid om elektriske kretser. Kirchhoff mottok sin doktorgrad der i 1847 og habiliterte seg i Berlin året etter. Han ble da Privatdozent slik at han hadde lov til å forelese.W. Gerlach, Gustav Robert Kirchhoff, Deutsche Biographie.
left|mini|Gustav Kirchhoff til venstre sammen med Robert Bunsen. Etter å ha undervist i Berlin i to år, fikk Kirchhoff i 1850 en fast stilling i Breslau som professor extraordinarius i fysikk. Der ble året etter også kjemikeren Robert Bunsen ansatt og tok opp et tett samarbeid med Kirchhoff. De ble gode venner slik at da Bunsen i 1852 ble tilbudt en ny stilling i Heidelberg, så anstrengte han seg for å få Kirchhoff med seg. Det lyktes i 1854 da det ble en ledig stilling der og Kirchhoff ble ansatt som professor ordinarius (full professor) og leder for fysikklaboratoriet. Han giftet seg i 1857 med Clara Richelot som var datter til Friedrich Richelot som i 1843 hadde overtatt professoratet i Königsberg etter Jacobi og vært Kirchhoffs lærer i matematikk.Universität Heidelberg, Gustav Robert Kirchhoff, biografiske data i forbindelse med en minnesutstilling. De fikk i alt fem barn. I 1857 ble også Hermann von Helmholtz ansatt i Heidelberg, noe som gjorde universitetet til et av de ledende innen naturvitenskap i hele Europa.
Bunsen var kjemiker og hadde sammen med en assistent utviklet bunsenbrenneren. Denne brukte han til å studere fargene til flammene fra forskjellige kjemiske element. Kirchhoff forslo å studere disse med et prismespektroskop hvor det fikk frem tydelige spektrallinjer som tilsvarte Fraunhoferlinjer i spekteret fra Solen. På den måten hadde de i 1859 sammen skapt begynnelsen til moderne spektralanalyse. De samme undersøkelsene fikk også Kirchhoff til å formulere sin lov for sort stråling som førti år senere ble fullført med Plancks strålingsformel. Disse oppdagelsene medførte at han i 1861 ble innvalgt som korresponderende medlem av Det prøyssiske vitenskapsakademiet i Berlin.
mini|Kirchhoffs æresgrav på Alter St.-Matthäus-Kirchhof i Berlin-Schöneberg. Disse årene i Heidelberg var kanske hans mest lykkelige og produktive i hele hans forskningskarriere. Sammen med Bunsen og Helmholtz var han midtpunkt i et rikt sosialt og kulturelt liv som satte sitt preg på byen. Ved siden av sin faste undervisning fortsatte han sitt arbeid med spektralanalyse, men tok etter hvert også opp studier av elastisitetsteori og hydrodynamikk. Men i 1866 ble hans innsats redusert etter et fall i en trapp som var så alvorlig at han ble avhengig av både rullestol og krykker de følgende årene. Situasjonen ble ikke bedre etter at hans kone døde i 1869 og han fikk aleneansvaret for de fem barna deres. I tillegg hadde han pådratt seg en øyenlidelse som sannsynligvis skyldes overanstrengelse ved observasjoner av svake spektrallinjer. Men på en klinikk hvor han søkte behandling, traff han Luise Brömmel som han giftet seg med i 1872.
Flere andre universiteter prøvde å få Kirchhoff ansatt. Men han trivdes så godt i Heidelberg at han avslo alle tilbud. Men etter hvert ble vanskelighetene med å bevege seg så store at han måtte slutte sine eksperimentelle arbeider. Så da Universitetet i Berlin i 1874 kunne tilby han en stilling som professor i matematisk fysikk, takket han ja. Samme år ble også Kirchhoff utnevnt til fullt medlem av Vitenskapsakademiet med lønn. Dette skyldes delvis også at Helmholtz hadde begynt der i 1870. Berlin var da blitt hovedstad i et forent Tyskland og universitet hadde store planer om å bli det ledende i landet. Den nyopprettete stillingen var det første professoratet i teoretisk fysikk i Berlin. Tidligere var fysikk alltid forbundet med en eksperimentell aktivitet.C. Jungnickel and R. McCormmach, Intellectual Mastery of Nature: Theoretical Physics from Ohm to Einstein, Vol. 2, University of Chicago Press, Chicago (1986). ISBN 0-226-41585-6.
Selv om Kirchhoff engasjerte seg på mange fronter i Berlin, ble livet i storbyen delvis en nedtur. Han måtte føre et stillere liv og hans kone trivdes ikke. Det var i denne perioden Kirchhoff konsentrerte seg om sin undervisning som etter hvert ble utgitt i fire bind som Vorlesungen über mathematische Physik. De fikk stor betydning for kommende generasjoner av studenter. Fra 1880 fikk han stadig større problemer med sin helse og måtte i 1884 innstille forelesningene og si fra seg valget til rektor ved universitetet. På tross av flere følgende kuropphold ble han ikke mye bedre og døde i 1887.
Kirchhoff er begravet på Alter St.-Matthäus-Kirchhof i Berlin, ikke langt unna graven til matematiker Leopold Kronecker. Litt lengre unna ligger også graven til Heinrich Rubens som gjorde de avgjørende målingene på varmestråling som førte Max Planck i 1900 til den endelige forståelse av hva Kirchhoff hadde påbegynt.
Vitenskapelige bidrag
Kirchoff begynte å studere matematikk ved universitetet i Königsberg, men skiftet raskt sin interesse mot mer praktiske problem han lærte om i fysikk. Dette skyldes i stor grad hans lærer Franz Neumann som på den tiden arbeidet med å forstå elektriske og magnetiske fenomen. Hans første, vitenskapelige arbeider handler også om elektriske strømmer og spenninger. I denne forbindelsen utførte han også målinger for å bekrefte sine beregninger. Denne koblingen mellom teoretiske og eksperimentelle problemstillinger, skulle karakterisere resten av Kirchhoffs vitenskapelige virke. Men de viste også at han forble en matematiker av første rang.
Strøm og spenning
left|thumb|240px|Eksempel på elektrisk krets med 6 noder og 3 sløyfer. Strømmen I1 = I7. Georg Ohm hadde i 1827 beregnet strømmen i en lang ledning som var koblet til polene på en spenningskilde og dermed utledet Ohms lov for sammenheng mellom strøm og spenning i en slik enkel, elektrisk krets. Da Kirchhoff i 1845 var en 21 år gammel student, publiserte han en mye mer komplisert beregning for hvordan den elektriske strømmen fordeler seg i en metallskive som er tilkoblet forskjellige, eksterne strømskilder. Han generaliserte Ohms lov ved å si at strømmen alltid må være proporsjonal med gradienten til spenningen. Da strømmen er stasjonær, må den ha null divergens. Bortsett fra i tilkoblingspunktene, vil derfor spenningen overalt i platen oppfylle Laplaces ligning. Kirchhoff kunne løse denne for et vilkårlig antall slike kontaktpunkt.G. Kirchhoff, Ueber den Durchgang eines elektrischen Stromes durch eine Ebene, insbesondere eine kreisförmige, Annalen der Physik und Chemie, 64(4), 497-515 (1845).
I det enkleste tilfellet betraktet han en sirkulær skive med to kontaktpunkt på omkretsen. Gjennom det ene kommer det like mye strøm inn som det går ut gjennom det andre. Gjennom skiven fordeler strømmen seg slik at den overalt har en retning som er vinkelrett på linjer med samme potensial. Disse viste Kirchhoff ville være deler av sirkelbuer. Da ingen strøm kan gå ut gjennom omkretsen til sirkelen, må disse buene stå vinkelrett på denne.
Etter å ha beregnet det elektriske potensialet i hvert punkt på skiven, viser Kirchhoff i det samme arbeidet hvordan resultatet kan veriferes ved direkte målinger. Da potensialforskjellene er små og derfor vanskelig å måle, foreslo han enkel oppstilling av apparatur og ledninger som kan gi bedre nøyaktighet. Det er i forbindelse med denne eksperimentelle oppstillingen som tilsvarer en Wheatstone-bro, at han beviste hvordan strøm og spenning kan beregnes i en slik mer komplisert, elektrisk krets. Et punkt i kretsen hvor flere ledninger møtes, kalles vanligvis for et knutepunkt eller node. I et slikt punkt må like mye strøm gå inn som ut igjen. Dette er Kirchhoffs strømlov. Den kan uttrykkes på en annen måte ved å regne alle inngående strømmer Ik som positive og utgående som negative. Da vil summen av alle strømmene som møtes i en node, være null slik at
Kirchhoffs spenningslov kommer frem ved å betrakte en lukket sløyfe i dette nettverket. Den går da gjennom et visst antall noder som hver har en viss spenning. Kalles spenningsforskjellen mellom to nærliggende noder på sløyfen for Uk , så må summen av alle disse rundt sløyfen være null slik at
Dette følger direkte fra definisjonen, men er mer grunnleggende en konsekvens av at energien til en elektrisk ladning som går rundt sløyfen, forblir uforandret.
Målingene til Kirchhoff ga god overensstemmelse med hans matematiske resultat. Året etter foreslo han en annen, eksperimentell undersøkelse av strømfordelingen i skiven. Etter å ha beregnet hvordan denne ville gi utslag på en kompassnål som ble holdt over skiven i forskjellige posisjoner, gjennomførte han også disse målingene og fant igjen at de stemte med hans teoretiske utledninger.G. Kirchhoff, Nachtrag zu dem Aufsatz: Ueber den Durchgang eines elektrischen Stromes durch eine Ebene, insbesondere eine kreisförmige, Annalen der Physik und Chemie, 67(3), 344-350 (1846).
Elastisitetsteori
Da Kirchhoff kom til Berlin i 1848, hadde han fattet interesse for å forstå Chladnis klangfigurer som han hadde hørt om i Königsberg. Disse figurene kommer frem når fin sand strøs på en plate som utsettes for svingninger, for eksempel fra et musikalsk instrument. Sanden vil da ordne seg i et bestemt mønster som avhenger av hvordan platen holdes fast og hvordan den blir satt til å vibrerere. Napoleon hadde i sin tid utlovet en belønning til den som kunne komme med en vitenskapelig forklaring. Etter mye diskusjon, ble prisen gitt til den franske matematiker Sophie Germain som ga den første, matematiske beskrivelse av fenomenet.D. Musielak, Sophie's Diary: A Mathematical Novel, Mathematical Association of America, New York (2012). ISBN 0-88-385577-1. Hennes resultat ble i de følgende årene forbedret av Lagrange, mens Poisson og andre prøvde å løse de nye ligningene som derved ble etablert. Da det på den tiden ikke fantes en helhetlig teori for elastiske deformasjoner, forble situasjonen likevel uklar.