Albert Einstein

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Einleitung

Albert Einstein (1879-1955), deutsch-amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger, weltweit bekannt als Schöpfer der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie sowie durch seine Hypothese zur Teilchennatur des Lichtes. Er ist der wohl berühmteste Naturwissenschaftler des 20. Jahrhunderts.

Einstein wurde am 14. März 1879 in Ulm geboren und verbrachte seine Jugend in München. Seine Familie besaß dort eine kleine Fabrik für elektrische Geräte. Er lernte erst mit drei Jahren sprechen, glänzte aber als Jugendlicher mit seinem Wissen über die Natur sowie mit seiner Fähigkeit, schwierige mathematische Auffassungen zu verstehen. Mit zwölf Jahren lernte er autodidaktisch die euklidische Geometrie.

Als die Familie wegen wiederholter geschäftlicher Misserfolge von Deutschland nach Mailand (Italien) umsiedelte, nutzte Einstein – der damals 15 Jahre alt war – die Möglichkeit, die Schule zu verlassen. Er verbrachte ein Jahr mit seinen Eltern in Mailand. In Aarau (Schweiz) machte er sein Abitur und schrieb sich an der Schweizerischen Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich ein. Einstein missfielen die dortigen Unterrichtsmethoden. Oft versäumte er den Unterricht und nutzte die Zeit, um eigenständig Physik zu studieren oder seine Geige zu spielen. Sein Studium schloss er 1900 mit Hilfe der Aufzeichnungen eines Mitschülers ab. Seine Professoren schätzten seine Leistungen gering ein und empfahlen ihn nicht für eine Laufbahn an der Universität.

Im Jahr 1902 erhielt er eine Stelle als Prüfer im Schweizer Patentamt in Bern. 1903 heiratete er Mileva Marić, eine Mitschülerin am Polytechnikum. Das Paar hatte zwei Söhne, ließ sich jedoch später wieder scheiden; Einstein heiratete nochmals.

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Frühe wissenschaftliche Veröffentlichungen

Im Jahr 1905 erhielt Einstein von der Universität Zürich seine Doktorwürde für eine theoretische Dissertation über Moleküle. Er veröffentlichte drei theoretische Artikel, die für die Entwicklung der Physik im 20. Jahrhundert von zentraler Bedeutung waren. Im ersten dieser Artikel, der die Brown’sche Molekularbewegung untersucht, gab Einstein eine Erklärung für die irreguläre Bewegung kleiner Teilchen in einer Flüssigkeit: Unregelmäßige Stöße der umgebenden Atome und Moleküle verursachen diese Bewegung. Diese Voraussagen wurden später durch Experimente bestätigt.

Der zweite Artikel, der sich mit dem photoelektrischen Effekt befasste, enthielt eine revolutionäre Hypothese über das Wesen des Lichtes. Einstein ging nicht nur davon aus, dass Licht unter bestimmten Umständen so betrachtet werden könne, als ob es aus Teilchen bestehe. Er vermutete außerdem, dass die jedem Lichtteilchen (das man Photon nennt) innewohnende Energie der Strahlungsfrequenz proportional sei. Die Formel dafür lautet E = hu, wobei E die Strahlungsenergie, h eine universelle Konstante, das so genannte Planck’sche Wirkungsquantum, und u die Strahlungsfrequenz ist. Die Annahme, dass die in einem Lichtstrahl enthaltene Energie in einzelnen Einheiten (oder Quanten) übertragen werde, stand im Widerspruch zu der vorherrschenden Vorstellung, Licht als Wellenerscheinung zu betrachten. Einsteins Theorie stieß zunächst auf einhellige Ablehnung. Er war selbst überrascht, als der amerikanische Physiker Robert Andrews Millikan die Theorie fast ein Jahrzehnt später experimentell bestätigte.

Einsteins Hauptanliegen bestand darin, das Wesen der elektromagnetischen Strahlung zu verstehen. Er bestand später darauf, das Wellen- und das Teilchenmodell für das Licht in einer Theorie zu vereinigen. Wiederum zeigten nur wenige Physiker für diese Ideen Verständnis.

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Einsteins spezielle Relativitätstheorie

Einsteins dritter bedeutender Artikel von 1905, Zur Elektrodynamik bewegter Körper, enthielt das, was man später als spezielle Relativitätstheorie bezeichnete. Die Entwicklung der Physik im 19. Jahrhundert war von einer mechanistischen Auffassung geprägt. Optische und elektromagnetische Phänomene wurden in Analogie zur Elektrizitätslehre gedeutet, wobei ein absolut ruhender „Äther” das Medium darstellte. Die Vorstellung widersprach der seit Galileo Galilei bekannten Tatsache, dass zwischen gleichförmig bewegten Körpern nur Relativgeschwindigkeiten beobachtbar sind. Die Gleichungen der Elektrodynamik genügen aber nicht den Transformationen, welche die Umrechnung von einem gleichförmig bewegten Bezugssystem (Inertialsystem) in ein anderes ermöglichen, zumindest nicht innerhalb der Grenzen der Mechanik Isaac Newtons. Nach Einsteins Theorie hat die Äquivalenz (Gleichwertigkeit) aller gleichförmig bewegten Bezugssysteme universelle Gültigkeit. Als zweites Prinzip postulierte er die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen gleichförmig zueinander bewegten Bezugssystemen.

Er war dadurch in der Lage, eine widerspruchsfreie und korrekte Beschreibung physikalischer Ereignisse in verschiedenen Inertialsystemen zu liefern, ohne spezielle Annahmen über das Wesen von Materie oder Strahlung zu treffen, oder darüber, wie sie miteinander in Wechselwirkung stehen.

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Erste Reaktionen

Die Schwierigkeit, die die Zeitgenossen mit Einsteins Arbeit hatten, rührte nicht daher, dass sie mathematisch komplex oder technisch undurchsichtig war. Das Problem resultierte vielmehr aus Einsteins Überzeugungen hinsichtlich dessen, was eine geeignete Theorie auszumachen habe sowie hinsichtlich der Beziehung zwischen Experiment und Theorie. Zwar sah Einstein Erfahrung als einzige Quelle des Wissens. Doch hielt er wissenschaftliche Theorien für freie Schöpfungen der Intuition. Und Prämissen, auf denen Theorien basierten, konnten aus seiner Sicht nicht logisch mit Experimenten in Verbindung gebracht werden. Eine gute physikalische Theorie zeichne sich dadurch aus, dass sie hinsichtlich der Beweisführung mit einer geringen Zahl von Postulaten auskomme. Diese Reduktion an Postulaten, die kennzeichnend für das gesamte Werk Einsteins ist, war es, die seine Arbeit auch in Fachkreisen so schwer verständlich machte und ihm lange Zeit keine Unterstützung zukommen ließ.

Einstein fand jedoch auch Befürworter. Sein wichtigster früher Förderer war der deutsche Physiker Max Planck. Einstein blieb, nachdem er in der Wissenschaft an Ansehen gewonnen hatte, noch vier Jahre am Patentamt. Danach folgte ein schneller Aufstieg in der deutschsprachigen akademischen Welt. Seine erste akademische Berufung erhielt er 1909 an die Universität Zürich. 1911 ging er an die deutschsprachige Universität Prag, und 1912 kehrte er wieder an die Eidgenössische Polytechnische Hochschule in Zürich zurück. 1913 wurde er schließlich zum Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik in Berlin berufen.