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Gustav Mie: From Electromagnetic Scattering to an Electromagnetic View of Matter

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The Mie Theory

Part of the book series: Springer Series in Optical Sciences ((SSOS,volume 169))

Abstract

The year 2008 saw the 100th anniversary of the publication of Gustav Mie’s work “Contributions to the optics of turbid media, particularly colloidal metal solutions” in Annalen der Physik. This event was an occasion to express appreciation for his contribution to the theory of scattering of electromagnetic waves. The achievements of Gustav Mie in the framework of the development of an unified field theory and his contributions to the discussion around the formulation of the theory of general relativity have been mentioned many times in other contexts. A detailed description of Gustav Mie’s work has, until now, been unavailable. This contribution undertakes the task of presenting a comprehensive account of the life and scientific work of Gustav Mie.

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Notes

  1. 1.

    [Mie81], p. 738f.

  2. 2.

    The origins of the branched family can be followed up in [3].

  3. 3.

    H. Spehl, Mie, Gustav Adolf Feodor Wilhelm Ludwig in: [Bio6] p. 186ff., [4], [Mie81], p. 734.

  4. 4.

    The Great City School was installed in 1580 under the superintendence of the humanist Nathan Chyträus (1543–1598) in the former Dominician monastery St. Johannis. In the years 1864–1867 the new classicistic building was built by the Rostock architect Th.H. Klitzing. Between Easter 1860 and Michaelis 1901, 7 pupils named Mie completed the Great City School [5].

  5. 5.

    [Mie81], p. 734.

  6. 6.

    Archives University of Freiburg (UAF), Nachlass Mie, C136/1—Zeugnisse.

  7. 7.

    ibid.

  8. 8.

    [Mie81] p. 735.

  9. 9.

    [6], p. 1003.

  10. 10.

    Oscar Jacobsen (1840–1889), study in Kiel, 1865 assistant at the Chemical Laboratory of the University of Kiel, 1868 graduation, 1871 private lecturer, 1873 professorship in Rostock, see also [7].

  11. 11.

    Eugen Geinitz (1854–1925), study in Dresden and Leipzig, 1876 graduation Leipzig, 1877 habilitation Göttingen, private lecturer in Göttingen and Heidelberg, 1878 professorship in Rostock. Geinitz is the father of the geology of Mecklenburg (Book “Geologie Mecklenburgs”).

  12. 12.

    Hermann Karsten (1809–1877), studies in Bonn, Berlin and in Königsberg with Bessel, 1830 private lecturer in mathematics and mineralogy in Rostock, 1832 extraordinary professor, 1836 professor.

  13. 13.

    Heinrich Friedrich Ludwig Matthiessen (1830–1906) studies of natural sciences in Kiel with G. Karsten, grammar school teacher in Jever and Husum, 1873 professor in Rostock.

  14. 14.

    [10], p. 223.

  15. 15.

    [11], p. 828.

  16. 16.

    Leo Königsberger (1837–1921) Professor in Greifswald, Dresden Vienna and Heidelberg, work on the theory of elliptical and hyperelliptical integrals and complex differential equations, Helmholtz biography, see also [12].

  17. 17.

    Statutes of the seminar in, Archives of University of Heidelberg (UAH), Fak. -Akte H-IV-102/71, Nr. 78, fol. 75–76, cf. [13]. Statutes of such seminars are regularly printed in “Zeitschrift für mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterricht”, for example in vol. 5, 173 (1874) the statutes of the mathematical–physical seminar of Halle University can be found.

  18. 18.

    Karl Heinrich Rosenbusch (1836–1914), professor for petrography and mineralogy at the universities of Strasbourg and Heidelberg, 1903 Wollaston medal, cf. also [14, 15].

  19. 19.

    Report of the student O. Rausenberger in [16], p. 179.

  20. 20.

    [12] p. 187.

  21. 21.

    UAF, Nachlass Mie, C136/1 Zeugnisse.

  22. 22.

    ibid.

  23. 23.

    From the copy of testimonials existing in the archives, it was revealed that this refers to the Müller Gelinek Six-form High School. This school had a long tradition and before the transformation into a private school on the 26 April 1819, it was the urban Friedrich August School.

  24. 24.

    Otto Lehmann (1855–1922), Study Strasbourg, Teacher for Physics, Mathematics and Chemistry in Mulhouse (Alsace), 1883 Lecturer in Physics TH Aachen, 1888 Professor for Electrotechnology at the Polytechnic Institute Dresden, 1889 Ordinarius at Karlsruhe Technical University Fridericiana with teaching assignment for Physics and Electrotechnology.

  25. 25.

    see Lehmann’s report in [17], p. 84.

  26. 26.

    see [17], p. 88f., see also [18].

  27. 27.

    [19], p. 108, private communication K.A. Turban 1881.

  28. 28.

    see [17], p. 72.

  29. 29.

    see: W. König, Gewinner und Verlierer. Der Stellenwert der einzelnen Hochschulen im Institutionalisierungsprozess der Elektrotechnik in Deutschland 1882 bis 1914, in [20], p. 171ff.

  30. 30.

    In 1892 he was appointed as first budgetary professor for electrotechnics in Karlsruhe. On 11 July 1896 Schleiermacher became regular professor for theoretical physics in the electrotechnical department of Engelbert Arnold. In 1926 the chair was rededicated to theoretical electrotechnics after Schleiermacher’s retirement. cf. [21].

  31. 31.

    cf. [21], p. 25.

  32. 32.

    Engelbert Arnold (1856–1911), 1874–1878 studies in Zürich, 1880–1891 Polytechnic Institute Riga, joint founder of the Russian-Baltic Electrotechnical Factory 1888, 1891 chief electrician of Maschinenfabrik Oerlikon, from 1894 Karlsruhe, see also [22].

  33. 33.

    O. Lehmann, Das absolute Maßsystem, Verh. des Naturwiss. Vereins zu Karlsruhe 12, 365 (1897), excerpts in: Zeitschr. für den physikal. und chem. Unterricht 10, 77 (1897).

  34. 34.

    University and regional Library (ULB) Halle: Dissertationes polytechn. Karlsruhanae 1896–1899, No. 11, Entwurf einer allgemeinen Theorie der Energieübertragung von Dr. Gustav Mie, Habilitationsschrift zur Erlangung der venia legendi für mathematische Physik an der Großherzoglichen Technischen Hochschule in Karlsruhe. (Sonderdruck aus den Sitzungsberichten der K. Akad. der Wiss. Wien [Mie6]).

  35. 35.

    [17], p. 84.

  36. 36.

    Verh. des Naturwiss. Vereins zu Karlsruhe 10, pp. 150–51 (1883–1889).

  37. 37.

    ibid. 11, pp. 41–43 (1883–1895).

  38. 38.

    cf. [17], p. 71, in 1913 the Karlsruhe devices were inventoried in the German Museum in Munich. For the history of the devices see also: J.H. Bryant, Heinrich Hertz’s Experiments and Experimental Apparatus: His Discovery of Radio Waves and his Delineation of their Properties, in [23], p. 39 ff.

  39. 39.

    Verh. des Naturwiss. Vereins zu Karlsruhe 13, p. 37 (1895–1900), “The lecture, which was given by the speaker, over 3 weeks on five occasions, for different corporations and associations, is printed in the papers”., see also [Mie4].

  40. 40.

    Verh. des Naturwiss. Vereins zu Karlsruhe 13, S. 98–103 (1895–1900).

  41. 41.

    UAF, Nachlass Mie, E12/69.

  42. 42.

    For the history of physics in Greifswald see [25–28].

  43. 43.

    cf. [2] vol. 2, chapter 15, p. 33 ff.

  44. 44.

    Archive of the University of Greifswald (UAG), Phil.Fak I290.

  45. 45.

    ibid.

  46. 46.

    UAG Phil. Fak. I 298.

  47. 47.

    cf. A. Schnell, Gestrandet in Wien: Wilhelm Ebert (1871–1916), Acta Hist. Astr. 43, 318 (2011).

  48. 48.

    The building of the physical institute also contained an observatory. A modern astrodome on the tower can be seen on Fig. 1.8, cf. H. Kersten, Astronomie in Greifswald in [25], p. 51ff.

  49. 49.

    [29], p. 35.

  50. 50.

    Ernst Dorn (1848–1916), studies in Königsberg, teacher in Königsberg and Berlin, 1873 habilitation in mathematics Greifswald, 1873 extraordinarius for physics in Breslau, 1881 professor in Darmstadt, 1886 professor in Halle as a successor of Oberbeck, 1895 director of the physical institute, see also [30].

  51. 51.

    see [2] vol. 2, p. 33ff.

  52. 52.

    Carl Hermann Knoblauch (1820–1895), studies in Berlin, 1845 cofounder of the Berlin Physical Society, 1848 habilitation in Berlin, 1849 professor in Marburg, 1853 professor in Halle, 1886–1871 rector of the University of Halle, 1878 President of the Leopoldina, see also [30, 31].

  53. 53.

    Karl Schmidt (1862–1946), studies in Göttingen and Berlin, assistant in Strasbourg and Königsberg, 1889 habilitation Halle, 1895 extraordinary professorship for theoretical physics, 1912 personal tenured professorship.

  54. 54.

    Archive of Halle University (UAH), PA11453: Peronalakte Mie 1916–1918.

  55. 55.

    ibid.

  56. 56.

    cf. Mitteilungen der Naturforschenden Gesellschaft zu Halle 5, 53f. (1920), [32].

  57. 57.

    UAF, Nachlass Mie, E12/71.

  58. 58.

    UAF, Nachlass Mie, E12/72.

  59. 59.

    UAF, Nachlass Mie, E12/37 Nr.18.

  60. 60.

    Franz Himstedt (1852–1933), studies in Göttingen, graduation and habilitation University of Göttingen, 1878 private lecturer Göttingen, 1880 private lecturer Freiburg, 1889 successor of Röntgen in Gießen, 1895 professor in Freiburg.

  61. 61.

    Emil Warburg (1846–1931), studies in Heidelberg and Berlin, 1867 graduation, 1870 habilitation, 1872 Strasbourg, 1876 professor in Freiburg, 1894 professor in Berlin, 1905 director of the Physikalisch-Technische Reichsanstalt.

  62. 62.

    Wolfgang Gaede (1878–1945), studies in Freiburg, 1901 graduation, 1909 habilitation in Freiburg, 1913 professor in Freiburg, 1919 professor in Karlsruhe.

  63. 63.

    UAF, Generalakten, Bestand B1/1287.

  64. 64.

    ibid.

  65. 65.

    Dissertations with purely theoretical content supervised by Mie could not be found.

  66. 66.

    UAK, Best. 27059, Sig. 1, 385.

  67. 67.

    ibid.

  68. 68.

    cf. UAF, B24/2448.

  69. 69.

    In honour of Mie’s time in Halle the new main physics lecture hall of Halle University was named “Gustav-Mie-Hörsaal”. Also, a so-called Mie prize is awarded to excellent students of physics in Halle.

  70. 70.

    Letter of Mie to Sommerfeld from 1 Februaray 1935, UAF, E12/37, Nr.23.

  71. 71.

    The value of those articles should not be discussed here. It was a subject of controversy among the editors of the planned Mie edition Höhnl and Plötze. cf. UAF, Nachlass Hönl E14/2, see also review to Mie’s “Naturwissenschaften und Theologie”, Die Naturwissenschaften 20, 566 (1932).

  72. 72.

    [35], p. 298.

  73. 73.

    Stigler’s law of eponymy. [36], cf. also [37].

  74. 74.

    [38], p. 146.

  75. 75.

    [39], p. 212.

  76. 76.

    H. Hertz, Untersuchungen über die Ausbreitung der elektrischen Kraft, Gesammelte Werke, Leipzig 1894, Bd. 2, S. 234 und S. 294 and G. Helm, Die Energetik nach ihrer geschichtlichen Entwicklung, Leipzig 1898.

  77. 77.

    [40], p. 187f.

  78. 78.

    [42], E. Grüneisen: Zustand des festen Körpers, p. 1 ff.

  79. 79.

    ibid, p. 11. Grüneisen refers in the discussion on Mie’s paper [Mie13] and his own article published considerably later [43].

  80. 80.

    z.B. W.C. de Markus, Planetary Interiors, S. 441 in [57].

  81. 81.

    s. [42], p. 22, [Mie13], [43].

  82. 82.

    Letter of Sommerfeld to Mie from 1 July 1900, UAF, E12/37 Nr.1.

  83. 83.

    Letter of Mie to Sommerfeld from 9 July 1900, UAF, E12/37 Nr.2.

  84. 84.

    cf. [Mie8], p. 97.

  85. 85.

    cf. [63], p. 132ff.

  86. 86.

    Instead of Mie theory, occasionally the terms Lorenz-Mie theory or Lorenz-Mie-Debye theory are used.

  87. 87.

    Walter Steubing (1885–1965), Ph.D 1908 Greifswald, TH Aachen (Stark), 1927 professor for applied physics Breslau, 1948 professor in Hamburg.

  88. 88.

    [70], preface.

  89. 89.

    ibid., p. 112.

  90. 90.

    vol. 1 (1906)–vol. 12 (1913) Zeitschrift für Chemie und Industrie der Kolloide, vol. 13 (1913)–vol. 179 (1961) Kolloid-Zeitschrift, vol. 180 (1962)–vol. 251 (1973) Kolloid-Zeitschrift & Zeitschrift für Polymere, than Colloid & Polymer Science.

  91. 91.

    Zeitschrift für Chemie und Industrie der Kolloide, 1 (1906).

  92. 92.

    UAF: E012/38, exchange of letters Mie-Planck, Nachlass Gustav Mie.

  93. 93.

    see also the publication in “Berichte der Dt. Physikal. Gesellschaft” [Mie24].

  94. 94.

    see also “Verhandlungen der Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte”, 79, 40 (1907).

  95. 95.

    UAF: E01248, 16, exchange of letters Mie-Wien, Nachlass Gustav Mie.

  96. 96.

    UAF: E01248, 13, exchange of letters Mie-Wien, Nachlass Gustav Mie.

  97. 97.

    [Mie27], Vorwort, S. VII.

  98. 98.

    see Verhandlungen der Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte, 80 (1908), 81 (1909).

  99. 99.

    The remarks are based on the the reviews of Kerker [75] and Logan [76, 77]. For a detailed discussion see especially [77].

  100. 100.

    Ludvig Lorenz (1829–1891), studies in Kopenhagen, 1852 diploma as chemical engineer, September 1858- Juli 1859 studies in Paris, 1866 teacher at the academy of military sciences in Kopenhagen, 1887 working as a free scientist, funded by Carlsberg, 1876 professor, 1887 doctor honoris causa of Uppsala University (see also [94, 95]).

  101. 101.

    see for instance H. Klingbeil, Elektromagnetische Feldtheorie, Teubner-Verlag Stuttgart, 2003; W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik 3—Elektrodynamik, Springer-Verlag, Berlin 2002.

  102. 102.

    Logan [77], p. 9 and footnote 16.

  103. 103.

    [Mie18], p. 57 1st edition, p. 61 2nd edition.

  104. 104.

    [Mie18], p. 66 3rd edition.

  105. 105.

    see Vizgin [98], Kohl [33], Renn (Ed.) [99, 100], Corry [101].

  106. 106.

    [98], p. 7.

  107. 107.

    UAF, Nachlass Mie, E12/68, diary note from 28 October 1915.

  108. 108.

    See [103] and also [104].

  109. 109.

    D. Hilbert, Die Grundlagen der Physik. Erste Mitteilung. Vorgelegt in der Sitzung vom 20. November 1915. in “Nachrichten von der Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen. Mathematisch-physikalische Klasse”, Heft 5, 395–407 (1915).

  110. 110.

    UAF, Nachlass Mie, E12/69, diary note from 13 February 1916.

  111. 111.

    Paul Wolfskehl (1856–1906) was an industrialist with mathematical interest. He bequeathed 100000 Mark to the Royal Academy of Sciences of Göttingen to be given to that person, who will proof Fermat’s Theorem during the next 100 years. (Wolfskehl prize) The interest of the prize money was used to organize the Wolfskehl lectures.

  112. 112.

    UAF, Nachlass Mie, E12/71, diary note from 8 December 1917.

  113. 113.

    [105], p. 256.

  114. 114.

    For a summary see of the meeting see Weyl [106].

  115. 115.

    UAF, Nachlass Mie, E12/69, diary note from 2 November 1915.

  116. 116.

    Emil Cohn (1854–1944), 1879 Dr. phil. in Strassburg, assistant of A. Kundt, 1884 habilitation in theoretical physics, 1919 honorary professor in Rostock, 1920–1935 honorary professor in Freiburg, 1938 together with Gans, Graetz, Jaffé, Kaufmann and other physicists of Jewish descent withdrew out of DPG, 1939 emigrating to Switzerland.

  117. 117.

    J.G. Königsberger (1874–1946), 1904–1936 professor of physics at the University of Freiburg, pioneer of semiconductor physics, coined 1911 together with Weiss the term “semiconductor” (sun of the mathematician Leo Königsberger).

  118. 118.

    Königsberger lectured in the same term Elements of the Quantum Theory.

  119. 119.

    [Bio10], p. 130.

  120. 120.

    See: Jahresverzeichnis der an den deutschen Universitäten erschienenen Schriften (1887–1913), Jahresverzeichnis der an den deutschen Universitäten und Technischen Hochschulen erschienenen Schriften (19-14-1925), Jahresverzeichnis der an den deutschen Universitäten und Hochschulen erschienenen Schriften (1926–1936). Purly theoretical Ph.D thesis supervised by Mie could not be found.

  121. 121.

    August Julius Herweg (1879–1936), studies in Würzburg, scholar of W. Wien, graduation Würzburg 1905, habilitation Greifswald 1907, 1913 professor, 1914–1918 army service, 1921 extraordinary professor in Halle, from 1923, extraordinary professor at TH Hannover.

  122. 122.

    UAG, Acta of the Phil.Fak. of the Königl. Univ. Greifswald I 324 (Dekanat Mie), J.Nr. 1245.

  123. 123.

    Wilhelm Kast (1898–1980), studies in Halle, 1922 graduation, 1924 Freiburg, 1927 habilitation, 1933 appointment as extraordinary Professor, 1937 full professor and director of institute in Halle, 1947 Bayer AG Leverkusen, 1954 honorary professor University Cologne, 1957 honorary professor university Freiburg.

  124. 124.

    vergl. UAF—Nachlass Mie, Bestand E12/30 Verlagsverhandlungen 1912–1946.

  125. 125.

    ibid.

  126. 126.

    Mie, Gustav: Lehrbuch der Elektrizität und des Magnetismus, Stuttgart 1941, Besprechung durch Cl. Schaefer, Die Naturwissenschaften H. 17/18, S. 267f (1942).

  127. 127.

    ibid., S. 268.

  128. 128.

    UAF, inventory E012/68-E012/72 (copies), Nachlass Gustav Mie.

  129. 129.

    UAF, E012/48, Briefwechsel Mie-Wien, see also Archives Deutsches Museum Munich, Nachlass Wilhelm Wien, Briefwechsel.

  130. 130.

    see UAF: E012/33, E012/34, Nachlass Gustav Mie, Berufungen.

  131. 131.

    Diary entries to current events prove Mie’s political point of view, UAF, inventory E012/68-E012/72.

  132. 132.

    [Mie40], p. 776.

  133. 133.

    After the title of the book “Krieg der Geister” from Hermann Kellermann, Dresden, 1915. In this book corresponding calls and signatory lists are printed.

  134. 134.

    UAF, inventory E012/41, exchange of letters Mie-Heisenberg, 1a, letter Heisenberg at Mie of 11 1936, 1b, letter Mie at Heisenberg 15 May 1936, 2b text of the memorandum Leipzig, 30 May 1936.

  135. 135.

    ibid., 1b.

  136. 136.

    UAF, E0012, Nachlass Gustav Mie.

  137. 137.

    see UAF: C136, materials for the edition Gustav Mie, worked on by Rolf Steinmann 2001; E14, Nachlass Helmut Hönl, worked on by David Geiger, 2003.

  138. 138.

    Helmut Hönl (1903–1981), Studies in Heidelberg, Göttingen and Munich, 1926 graduation with A. Sommerfeld, 1933 habilitation in Stuttgart, 1940 extraordinary Professor in Erlangen, 1943 professor in Freiburg, 1971 emeritus.

  139. 139.

    Herbert Fröhlich (1905–1991), graduation 1930 with Sommerfeld, private lecturer in Freiburg, as Jew forced to leave Germany, 1935 University of Bristol, 1948 University of Liverpool.

Publications of Gustav Mie

  • [Mie1] G. Mie, Zum Fundamentalsatz über die Existenz von Integralen partieller Differentialgleichungen, Dissertationes Philosoph. Heidelbergensis 1892, Dresden, Druck von B.G. Teubner, 1892

    Google Scholar 

  • [Mie2] G. Mie, Fundamentalsatz über die Existenz von Integralen partieller Differentialgleichungen, Zeitschrift für Mathematik 37, 151–170 (1892)

    Google Scholar 

  • [Mie3] G. Mie, Fundamentalsatz über die Existenz von Integralen partieller Differentialgleichungen, Zeitschrift für Mathematik 37, 193–211 (1892)

    Google Scholar 

  • [Mie4] G. Mie Die Röntgen’sche Strahlung, S. V-IX, Sonderdruck aus: Beilage zur Nr. 7 der Zeitschrift des Vereins für Finanzassistenten, 1896

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  • [Mie5] G. Mie, Beweis der Integrirbarkeit gewöhnlicher Differentialgleichungen nach Peano, Mathemat. Annalen 43, 553–568 (1893)

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  • [Mie6] G. Mie, Entwurf einer allgemeinen Theorie der Energieübertragung, Sitzungsber. d. K. Akad. d. Wiss. Wien, Math.-nat. Klasse 107 Abt. IIa, 1113–1180 (1898) (Habilitationsschrift)

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Acknowledgments

I appreciate the support of the staff members of the university archives of the Universities of Greifswald, Halle, Heidelberg and Freiburg, the archives of Karlsruhe Institute of Technology as well as the archives of the National Academy of the Sciences Leopoldina during my search. My special gratitude applies to Vincent Loke, Thomas Wriedt and Christian Matyssek for the critical reading of the manuscript and Thomas Wriedt for suggestions and references.

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Authors and Affiliations

  1. Department of Physics, Martin Luther University Halle-Wittenberg, Halle, Germany

    Wolfram Hergert

Authors
  1. Wolfram Hergert
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Corresponding author

Correspondence to Wolfram Hergert .

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Editors and Affiliations

  1. Halle-Wittenberg, Fakultät für Naturwissenschaften II, Martin-Luther-Universität, Von-Seckendorff-Platz 1, Halle/Saale, 06120, Germany

    Wolfram Hergert

  2. Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Badgasteiner Str. 3, Bremen, 28359, Germany

    Thomas Wriedt

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Hergert, W. (2012). Gustav Mie: From Electromagnetic Scattering to an Electromagnetic View of Matter. In: Hergert, W., Wriedt, T. (eds) The Mie Theory. Springer Series in Optical Sciences, vol 169. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-28738-1_1

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