Annus Mirabilis 1905

Vor 100 Jahren veröffentlichte Albert Einstein seine spezielle Relativitätstheorie und veränderte damit unsere Sicht auf die Welt. Aber im Jahr 1905 hat Einstein noch drei andere Artikel publiziert, und jeder war von großer Bedeutung für die Wissenschaft des letzten Jahrhunderts. Grund genug, das Jahr 2005 zum Jahr der Wissenschaft zu erklären.

Andere Theorien vorher und viele nachher haben immer nur bessere Beschreibungen der Welt geliefert, wie sie in Experimenten und Beobachtungen festgestellt wurden, aber die spezielle Relativität führte ein neues Konzept von Raum und Zeit ein, bei dem die zuvor immer vorausgesetzte Absolutheit von Zeit und Länge nicht mehr gegeben war. Statt dessen führte Einstein einen neuen Maßstab ein, die Geschwindigkeit des Lichts c. Ganz neu war aber weder die Mathematik, noch die Konstante c. Die Mathematik war zuvor von Lorenz entwickelt worden und die Lichtgeschwindigkeit tauchte als Konstante auch in den Maxwellschen Gleichungen auf.

Einsteins große Leistung war es den Zusammenhang zu erkennen und konsequent eine Theorie zu entwickeln, die ihn berücksichtigt. Etwas das sich keiner vor ihm getraut hatte.

Aber die Vorhersagen und der Vergleich mit astronomischen Beobachtungen bestätigen die Relativitätstheorie immer wieder.

Albert Einstein kann aber nicht nur auf die spezielle und später die allgemeine Relativitätstheorie allgemeine Relativitätstheorie reduziert werden. Den Nobelpreis hat er z.B. für die Erklärung photoelektrischen Effekts bekommen, die besagt, dass Photonen Teilchen sind, die über gequantelte Energiemengen verfügen, mit denen sie Elektronen aus einem elektrisch geladenen Metall herausschlagen können.

Auf Grund der Ausbreitungseigenschaften ging man früher davon aus, dass sich Licht wie eine Welle verhält und das müsste eigentlich heißen, dass man Elektronen herauslösen können müsste, wenn man nur genug Widerspruch auf das Metall einprasseln lässt, weil sich die Energien der Wellen addieren müssten. Beim Photoeffekt beobachtet man aber etwas anderes, unabhängig von der Zahl der Photonen werden nur dann Elektronen herausgeschlagen, wenn die Energie des einzelnen Photons größer ist als die Bindungsenergie des Elektrons im Metall.

Die Idee das Licht quantisiert sein könnte stammte von Max Plancks Erklärung der Schwarzkörperstrahlung – ein idealer Strahler, mit dem das Energiespektrum des abgestrahlten Lichts beschrieben wird – dessen Erklärung voraussetzte, dass Energie in diskreten Paketen emittiert und absorbiert wird. Aber erst Einstein konnte in seiner Arbeit zum Photoeffekt zeigen, dass Licht tatsächlich aus diesen Quanten bestehen muss. Diese Entdeckung stand natürlich im Widerspruch zur Maxwells Beschreibung des Lichts als Wellen und so dauerte es noch bis zur Verleihung des Nobelpreises im Jahre 1921, dass sich das Photonenbild des Lichts weitgehend durchgesetzt hatte und man sich an den dualen Charakter des Lichts gewöhnen musste, nachdem sich Teilchen auch wie Wellen verhalten können.

Diese Entdeckung kann mit Recht als erster Schritt zur Entwicklung der Quantenmechanik gewertet werden, die Einstein erst in späteren Jahren abgelehnt hat, weil sie sich nicht mit seiner Weltanschauung vereinbaren ließ. Was interessant ist, weil er die Weltanschauung vieler Menschen ja schon mit der Relativitätstheorie auf den Kopf gestellt hatte.

Der dritte Artikel beschäftigte sich mit der Brownschen Bewegung, welche die chaotische Bewegung von Atomen beschreibt. Auch wenn sich diese Beobachtung heute nicht mehr sehr spektakulär anhört, war sie ein wichtiger Schritt für die Akzeptanz, dass sich die Materie wirklich aus Atomen zusammensetzt, was um 1905 noch nicht weithin akzeptiert war. Darüber hinaus war diese Arbeit ein Durchbruch für die statistische Mechanik, die gebraucht wird, um viele Teilchen in ihrer Gesamtheit zu beschreiben und ihre Bewegungen zu verstehen.

Vor dieser Veröffentlichung waren Atome lediglich ein nützliches Konzept, das man benutzte, um ihre Eigenschaften zu beschreiben, aber ihre reale Existenz war in der wissenschaftlichen Gemeinde heftig umstritten.

Die vierte Veröffentlichung in Jahr 1905 beschäftigte sich mit einem weiteren Aspekt der Relativitätstheorie, dem Einfluss von Energie und Bewegung aufeinander. In diesem Artikel entwickelte Albert Einstein die Formel E=mc2˛ - die Energie E eines ruhenden Körpers ist gleich seiner Masse multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, für die er so berühmt wurde.

Bis zur Entwicklung der Atombombe wurde diese Ruheenergie von vielen Wissenschaftlern aber eher als Kuriosum angesehen, das keinen praktischen Nutzen hatte. Erst mit der Kernspaltung wurde deutlich, dass die Bindungsenergie im Atomkern einen Teil seiner Masse ausmacht, und dass man diese Energie freisetzen kann.

Die Entwicklung der Relativitätstheorie war damit natürlich nicht abgeschlossen. 1912 führt Einstein die Zeit als vierte Dimension in sein Modell der Raumzeit ein und die Allgemeine Relativitätstheorie stellte Albert Einstein 1915 vor der preußischen Akademie der Wissenschaften vor.

Die Veröffentlichungen aus diesem Annus Mirabilis – Wunderjahr – der Wissenschaft scheinen sehr unterschiedlich zu sein, aber bei genauerer Betrachtung behandeln sie alle Grenzbereiche der damaligen Physik. Man kannte um 1905 im Wesentlichen die Mechanik, die Elektrodynamik und die Thermodynamik, die aber mehr oder weniger getrennt nebeneinander existierten. Mit der Relativitätstheorie verband Einstein erstmals die Mechanik bewegter Körper mit der Elektrodynamik, indem er bewegte Ladungen betrachtete und die Betrachtung Thermodynamischer Prozesse schloss eine Verbindung zur Mechanik.

Damit waren Einstenis Arbeiten in diesem Jahr im Grunde schon ein Vorgriff auf sein weiteres Leben, das er später dem, leider erfolglosen, Versuch widmete auch die Gravitation mit den anderen bekannten Kräften unter einen Hut zu bringen, was in eine Verbindung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie hinauslaufen würde.

Aber erst jetzt hundert Jahre Später scheint die Stringtheorie einen Ansatz für eine solche Vereinheitlichte Theorie zu bieten.


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