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Light and Shadow – The Experimental Collaboration Between Ernst Mach and Ludwig Mach, Father and Son

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Ernst Mach – Life, Work, Influence

Part of the book series: Vienna Circle Institute Yearbook ((VCIY,volume 22))

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Abstract

Only few subjects in physics are as affecting as the lessons of light. Through the human visual faculty, light directly connects to the sensations. Its properties are possibly therefore among the oldest areas of study in the natural sciences. However, in contrast to the objects that convey the laws of mechanics to human understanding, the carrier of light seems immaterial and therefore impalpable. Hence, the more strange some of the optical phenomena appear at first sight, as they do not tie to intuition and only can be apprehended by adopting a wave model for the study of light. The phenomenon of interference, i.e. the superposition of waves upon their coalition, is a particular striking example in this category. It is only through the image of waves that one can understand why at the union of light ray with another light ray, their result not only shows brightness but also darkness.

Parts of this article were first presented at the Ernst Mach Centenary Conference in June 2016. A longer version of this work first appeared in German language in the volume Wilhelm Füßl, Johannes-Geert Hagmann, Licht und Schatten. Ernst Mach|Ludwig Mach. Munich: Deutsches Museum Verlag (2017), pp. 37–46.

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Notes

  1. 1.

    For a detailed account on the origin of the papers see Wilhelm Füßl, „Die Nachlässe von Ernst und Ludwig Mach im Archiv des Deutschen Museums. Eine Bestandsgeschichte.“, in: Wilhelm Füßl, Johannes-Geert Hagmann, Licht und Schatten. Ernst Mach|Ludwig Mach. Munich: Deutsches Museum Verlag (2017), pp. 47–56.

  2. 2.

    Deutsches Museum, München, Archiv (DMA), Nachlass (NL) 174/505 to NL V174/557.

  3. 3.

    On the quality oft he notebooks as sources see Christoph Hoffmann, “Machs Notizbuch: Einführung.”, in Christoph Hoffmann and Peter Berz, Über Schall. Ernst Machs und Peter Salchers Geschoßfotografien., Göttingen: Wallstein Verlag (2001), pp. 39–46 and references therein.

  4. 4.

    DMA, NL Mach, Konstanzer Abgabe, Nr. 44.

  5. 5.

    DMA, Konstanzer Abgabe, Nr 58. and DMA, NL 174/2054 to NL174/2115.

  6. 6.

    Klaus Hentschel, „Mach, Ernst“, in Neue Deutsche Biographie 15 (1987), pp. 605–609. [online version 30.11.2016] https://www.deutsche-biographie.de/gnd118575767.html#ndbcontent

  7. 7.

    DMA, Konstanzer Abgabe, Nr. 36 „Abhandlungen von Ludwig Mach“. In the list compiled by Ludwig Mach, one joint publication from 1904 with Ernst Mach is not mentioned.

  8. 8.

    See Peter Mahr, „Bibliographie. Ernst Machs Publikationen von 1860“, Vienna [online version 30.11.2016] http://homepage.univie.ac.at/peter.mahr/2016.1.html

  9. 9.

    See handwritten autobiographical notice of Ludwig Machs cited in Gereon Wolters, Mach I, Mach II, Einstein und die Relativitätstheorie. Eine Fälschung und ihre Folgen. Berlin: de Gruyter (1987), p. 295.

  10. 10.

    Note: all translations of citations from German to English were made by the author. Anonymous signed „K“, probably Josef Kareis, „Das Schweissen mittels Elektrizität“, Zeitschrift für Elektrotechnik 5. Jahrgang 1. Januar (1887), p. 48. Thomsons method was published in 1886 in English language journals, see Karl T. Compton, “Biographical Memoir of Elihu Thomson, 1853–1937.” Washington: National Academy of Sciences Biographical Memoirs Volume 21 (1939), pp. 143–179.

  11. 11.

    See John T. Blackmore, “Ernst Mach. His Life, Work, and Influence”, Berkeley: University of California Press (1972) p. 145.

  12. 12.

    Ernst Mach and Peter Salcher, „Photographische Fixierung der durch Projectile in der Luft eingeleiteten Vorgänge“, Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch Naturwissenschaftliche Classe 2a, Band 95 (1887), pp. 150–167. See also Hoffmann, Berz (2001), ibid, for a detailed account of the precursors to the experiments.

  13. 13.

    Ernst Mach, „Ueber weitere Fortschritte in der Momentphotographie.“ In: Josef Maria Eder (ed.), Jahrbuch der Photographie und Reproduktionstechnik, 15. Jahrgang, Halle: Wilhelm Knapp (1891), pp. 166–167.

  14. 14.

    DMA, NL 174/532, p. 14 and p. 28.

  15. 15.

    DMA, NL 174/532, p. 16. Ludwig Windthorst (1812–1891) was a leading figure of the central party in the German parliament for the electoral ward Meppen-Lingen-Bentheim and a political opponent of Otto von Bismarck (1815–1898). The revision of the laws often entitled „Kulturkampfgesetzte“ against political catholicism int he years 1886 and 1887 that also had been targeting Windhorst were a political defeat of Bismarck. In 1888, a few weeks prior to the visit of the Machs in Meppen, Windhorst was made honorary citizen of the city of Meppen. See e.g. Volker Ullrich, „Die kleine Exzellenz.“ Die Zeit 3/2012.

  16. 16.

    Ernst Mach and Peter Salcher, „Über die in Pola und Meppen angestellten ballistisch-photographischen Versuche“, Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch Naturwissenschaftliche Classe 2a, Band 98 (1889), pp. 41–50.

  17. 17.

    Ernst Mach and Ludwig Mach, „Weitere ballistisch-photographische Versuche“, Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch Naturwissenschaftliche Classe 2a, Band 98 (1889), pp. 1310–1326; Ernst Mach and Ludwig Mach, „Ueber longitudinal fortschreitende Wellen im Glase“, Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch Naturwissenschaftliche Classe 2a, Band 98 (1889), pp. 1327–1332; Ernst Mach and Ludwig Mach, „Ueber die Interferenz von Schallwellen von großer Excursion“, Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch Naturwissenschaftliche Classe 2a, Band 98 (1889), pp. 1333–1336.

  18. 18.

    The enlargements of the photographies for the Academy proceedings were realized by the renowned photochemist Josef Maria Eder (1855–1944).

  19. 19.

    DMA, NL 174/531, p. 51.

  20. 20.

    DMA, NL 174/532 and NL 174/533.

  21. 21.

    DMA, Konstanzer Abgabe, Nr. 26; DMA, NL 174/4125.

  22. 22.

    DMA, Konstanzer Abgabe, Nr. 53; DMA, NL 174/4121

  23. 23.

    Personal communication of Ms. Emilie Tesinska, Prague, 19.06.2014 and Mr. Lubos Veverka, University of Prague, 10.06.2014.

  24. 24.

    DMA, Konstanzer Abgabe, Nr. 10.

  25. 25.

    Ludwig Mach, „Über ein Interferenzrefractometer“, Sitzungsberichte der mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien 101 (1892), pp. 5–10; Ludwig Mach, „Über einen Interferenzrefraktor“, Zeitschrift für Instrumentenkunde 12 (1892), pp. 89–93; Ludwig Mach, „Über ein Interferenzrefractometer (II. Mitteilung)“, Sitzungsberichte der mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien 102 (1893), pp. 1035–1056.

  26. 26.

    See e.g. in the seminal book by Max Born, Optik. 2. Auflage, Berlin: Springer (1933), p. 127.

  27. 27.

    See e.g. Judith F. Donelly und Nicholas M. Massa, Light: Introduction to Optics and Photonics. Boston: The New England Board of Higher Education (2007), p. 177; Bernd Dörband, Herbert Gross, Henriette Müller, Handbook of Optical Systems, Metrology of Optical Components and Systems, Weinheim: Wiley-VCH (2012) p. 62; Abdul Al-Azzawi, Photonics: Principles and Practices, Boca Raton: CRC-Press (2007), p. 400.

  28. 28.

    Sean F. Johnston, Holographic Visions. A History of a New Science, Oxford: Oxford University Press (2006), p. 54; Andrew Warwick, “Interferometer” In: Robert Bud and Deborah Jean Warner (eds.), Instruments of Science: An Historical Encyclopedia, London: Garland Publishing (1998), p. 399.

  29. 29.

    Ludwig Mach, „Modification und Ausführung des Jamin’schen Interfernzrefractometers“, Anzeiger der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Classe 28 (1891), pp. 223–224.

  30. 30.

    Ludwig Zehnder, „Ein neuer Interferenzrefraktor“, Zeitschrift für Instrumentenkunde 11 (1891), pp. 275–285.

  31. 31.

    Ref. 3 in Fußnote 23.

  32. 32.

    DMA, NL 174/534, p. 47

  33. 33.

    DMA, NL 174/4131.

  34. 34.

    On the provenance of these instruments see footnote 1.

  35. 35.

    Ludwig Mach, „Ueber das Princip der Zeitverkürzung in der Serienphotographie“, Photographische Rundschau Heft 4 (1893), pp. 121–128. The apparatus is also sketched in Ernst Mach’s notebook Nr. 32 DMA, NL 174/536, p.76.

  36. 36.

    DMA, NL 174/4116.

  37. 37.

    Ludwig Mach „Weitere Versuche über Projectile“, Sitzungsberichte der mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien 105 (1896), pp. 605–633; Ludwig Mach, „Ueber die Sichtbarmachung von Luftstromlinien.“ Zeitschrift für Luftschiffahrt und Physik der Atmosphäre Heft 6 (1896), pp. 129–187; Ludwig Mach, „Optische Untersuchung von Luftstrahlen“, Sitzungsberichte der mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien 106 (1896), pp. 1025–1074.

  38. 38.

    See Christoph Hoffmann, „Superpositions: Ludwig Mach and Étienne-Jules Marey’s studies in streamline photography“, Studies in the History and Philosophy of Science Part A. Volume 44 Issue 1 (2013), pp. 1–11.

  39. 39.

    Ernst Mach to Ludwig Mach, Wien, 12.03.1897; DMA, Konstanzer Abgabe, Nr. 58.

  40. 40.

    Ernst Mach to Ludwig Mach, Wien, 15.10.1897; loc. cit.

  41. 41.

    Ernst Mach to Ludwig Mach, Wien, 19.10.1897; loc. cit.

  42. 42.

    Ernst Mach to Ludwig Mach, Wien, 24.10.1897; loc. cit.

  43. 43.

    Ludwig Mach to Ernst Mach 18.09.1897; DMA, NL 174/2099.

  44. 44.

    Ernst Mach to Ludwig Mach, Wien, 01.10.1899; loc. cit.

  45. 45.

    Ernst Mach to Ludwig Mach, Wien, 21.07.1900; loc. cit.

  46. 46.

    Ernst Mach and Ludwig Mach, „Versuche über Totalreflexion und deren Anwendung“, Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch Naturwissenschaftliche Classe 2a, Band 113 (1904), pp. 1219–1230.

  47. 47.

    DMA, NL 174/538, p. 66.

  48. 48.

    Ernst Mach, „Objektive Darstellung der Interferenz des polarisierten Lichts“ In: Festschrift, Ludwig Boltzmann gewidmet zum 60. Geburtstag, Leipzig: Ambrosius Barth (1904), pp. 441–447; Ernst Mach, Ueber die Phasenänderung des Lichtes durch Reflexion, In: Festschrift, Adolf Lieben zum fünfzigjährigen Doktorjubiläum und zum siebzigsten Geburtstage von Freunden, Verehrern und Schülern gewidmet, Leipzig: C.F. Winter’sche Verlagsbuchhandlung (1906), pp. 291–296; Ernst Mach, „Die Phasenverschiebung durch Reflexion an den Jamin’schen Platten. Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien. Mathematisch-naturwissenschaftliche Classe Band 116, Abt. 2a, (1907), pp. 997–1000.

  49. 49.

    Ludwig Mach to Ernst Mach 13.02.1913; DMA, NL 174/2113.

  50. 50.

    Ludwig Mach to Ernst Mach, undated, probably 1912 or 1913; DMA NL 174/2115.

  51. 51.

    DMA, Konstanzer Abgabe, Nr. 3.

  52. 52.

    Rudolf Goldscheid to Ludwig Mach, 02.07.1914; DMA, NL 174/1329.

  53. 53.

    DMA, Konstanzer Abgabe, Nr. 24.

  54. 54.

    DMA, Konstanzer Abgabe, Nr. 24.

  55. 55.

    Ernst Mach, Die Prinzipien der physikalischen Optik. Leipzig: Ambrosius Barth (1921). See also a detailed account in Gereon Wolters, Mach I, Mach II, Einstein und die Relativitätstheorie. Eine Fälschung und ihre Folgen. Berlin: de Gruyter (1987).

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Authors and Affiliations

  1. Deutsches Museum, Munich, Germany

    Johannes-Geert Hagmann

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  1. Johannes-Geert Hagmann
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Correspondence to Johannes-Geert Hagmann .

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  1. Institute Vienna Circle, University of Vienna, Vienna Circle Society, Vienna, Austria

    Friedrich Stadler

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Hagmann, JG. (2019). Light and Shadow – The Experimental Collaboration Between Ernst Mach and Ludwig Mach, Father and Son. In: Stadler, F. (eds) Ernst Mach – Life, Work, Influence. Vienna Circle Institute Yearbook, vol 22. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-04378-0_30

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