Über Einstein's Naturwissenschaftliche Entdeckungen und Erfindungen
Albert Einstein begründete die physikalische Relativitätstheorie, die er (nach wichtigen Vorarbeiten von Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré) 1905 als Spezielle Relativitätstheorie und erstmals 1915 als Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte. Einsteins Werke führten zu einer Revolution der Physik; die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie gehören bis heute zu den Grundpfeilern der modernen Physik. Zur einfacheren Formulierung führte er 1916 die einsteinsche Summenkonvention ein, durch die Tensorprodukte kompakter geschrieben werden können.
Einstein war ab 1910 mit zunehmender Häufigkeit für den Nobelpreis vorgeschlagen worden, besonders auch ab 1919 nach der öffentlichen Sensation der richtigen Vorhersage der Lichtablenkung durch Gravitation. Das stieß im Nobelpreiskomitee aber auf anhaltenden Widerstand, der auch dazu führte, dass der Preis für das Jahr 1921 nicht termingerecht vergeben wurde, sondern erst ein Jahr später zusammen mit dem Preis für 1922. Viele Mitglieder des Nobelpreiskomitees neigten eher zur Experimentalphysik als zur theoretischen Physik und beargwöhnten die theoretischen Entwicklungen zur Quantennatur des Lichts und zu den beiden Relativitätstheorien als zu spekulativ. Während Einsteins Gesetz des photoelektrischen Effekts inzwischen durch Messungen belegt war, wurde die 1919 von Arthur Stanley Eddington bei Sonnenfinsternisbeobachtungen berichtete Beobachtung einer von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Ablenkung des Lichts von Sternen nahe der Sonne (Gravitationslinseneffekt) wegen mangelnder Messgenauigkeit weiter bezweifelt. Besonders Allvar Gullstrand, der auch verschiedene Fehler in Einsteins Theorien gefunden zu haben glaubte, verhinderte entgegen stärkster internationaler Befürwortung noch 1921 die Nominierung Einsteins.
So erhielt Einstein zwar den für das Jahr 1921 bestimmten Physik-Nobelpreis, aber erst ein Jahr später und dabei weder für eine seiner Relativitätstheorien noch für die Lichtquantenhypothese, mit der er das Gesetz des photoelektrischen Effekts gefunden hatte, sondern lediglich für die Entdeckung dieses Gesetzes.[1][2] Für seine Nobelpreisrede erhielt er die Auflage, sich nicht zur Relativitätstheorie zu äußern. Wegen eines Aufenthalts in Japan nahm Einstein nicht am offiziellen Staatsakt im Dezember 1922 teil, sondern nahm den Preis am 11. Juli 1923 auf der 17. Nordischen Naturforscherversammlung (17:e Skandinaviska Naturforskarmötet) in Göteborg entgegen und hielt – zum Gefallen des anwesenden schwedischen Königs und tausend weiterer Zuhörer – seine Rede mit dem Titel Grundgedanken und Probleme der Relativitätstheorie.[3][4] Antisemitische Physiker aus Deutschland, darunter Philipp Lenard, der Nobelpreisträger 1905, hatten zuvor noch vergeblich protestiert.
Bemerkenswert ist Einsteins Verhältnis zu einem weiteren Pfeiler der modernen Physik, der Quantenphysik: einerseits, weil einiges von seiner Arbeit, wie die Erklärung des photoelektrischen Effekts, deren Grundlage bildete; andererseits, weil er später viele Ideen und Deutungen der Quantenmechanik ablehnte. Eine berühmte Diskussion verbindet Einstein mit dem Physiker Niels Bohr. Gegenstand war die unterschiedliche Auslegung der neuen Quantentheorie, die Heisenberg, Schrödinger und Dirac ab 1925 entwickelten. Einstein stand insbesondere dem Begriff der Komplementarität Bohrs kritisch gegenüber.
Einstein glaubte, dass die zufälligen Elemente der Quantentheorie sich später als nicht wirklich zufällig beweisen lassen würden. Diese Einstellung veranlasste ihn, erstmals im Streit mit Max Born, zu der berühmt gewordenen Aussage, dass der Alte (bzw. Herrgott) nicht würfle:[5]
„Die Quantenmechanik ist sehr achtunggebietend. Aber eine innere Stimme sagt mir, daß das noch nicht der wahre Jakob ist. Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Alten bringt sie uns kaum näher. Jedenfalls bin ich überzeugt, daß der Alte nicht würfelt.“
Er stützte seine Überlegungen mit verschiedenen Gedankenexperimenten, unter anderem mit dem viel diskutierten Einstein-Podolsky-Rosen-Experiment oder mit der Photonenwaage. Im Diskurs jedoch blieben Bohr und seine Anhänger zumeist siegreich; auch aus heutiger Sicht sprechen die experimentellen Belege gegen Einsteins Standpunkt.
1916 postulierte er die stimulierte Emission von Licht.[6] Dieser quantenmechanische Vorgang ist die physikalische Grundlage des Lasers, der erst 1960 – also nach seinem Tod – erfunden wurde. Neben dem Transistor zählt der Laser zu den bedeutendsten technischen Erfindungen des 20. Jahrhunderts, die auf die Quantenphysik zurückgehen.
1924 sagte er zusammen mit Satyendranath Bose einen quantenmechanischen, aber dennoch makroskopischen Materiezustand voraus, der bei extrem tiefen Temperaturen eintreten sollte. Der später als Bose-Einstein-Kondensationbezeichnete Phasenübergang konnte 1995 erstmals im Labor beobachtet werden. Im August 2005 wurde an der Universität Leiden ein 16-seitiges Manuskript von Einstein entdeckt, das sich mit seiner letzten großen Entdeckung, der Bose-Einstein-Kondensation, beschäftigt.
In seinen späten Jahren beschäftigte sich Einstein mit der Frage nach einer einheitlichen Feldtheorie aller Naturkräfte auf Grundlage seiner Allgemeinen Relativitätstheorie; ein Unterfangen, das allerdings nicht von Erfolg gekrönt war und noch heute ungelöst ist.
Häufig wird Einstein als einer derjenigen genannt, die einen hypothetischen Äther ablehnten und abschaffen wollten; das war jedoch nur einschränkend der Fall, wie in einer seiner Reden deutlich wird, gehalten am 5. Mai 1920 an der Reichs-Universität zu Leiden:
„Zusammenfassend können wir sagen: Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie ist der Raum mit physikalischen Qualitäten ausgestattet; es existiert also in diesem Sinne ein Äther. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie ist ein Raum ohne Äther undenkbar; denn in einem solchen gäbe es nicht nur keine Lichtfortpflanzung, sondern auch keine Existenzmöglichkeit von Maßstäben und Uhren, also auch keine räumlich-zeitlichen Entfernungen im Sinne der Physik. Dieser Äther darf aber nicht mit der für ponderable Medien charakteristischen Eigenschaft ausgestattet gedacht werden, aus durch die Zeit verfolgbaren Teilen zu bestehen; der Bewegungsbegriff darf auf ihn nicht angewendet werden.“[7]
Einstein lässt im Sinne dieser Zusammenfassung weiterhin nur einen von der Elektrodynamik unabhängigen, gravitativen Äther zu, nicht jedoch den elektromagnetischen Äther des 19. Jahrhunderts mit seinen erforderlichen Bewegungszuständen, die – wie schon 1905 – nach wie vor ausdrücklich ausgeschlossen werden. Diese Tatsache kommt in der oft zitierten Rede von 1920, etwas vor obiger Zusammenfassung, ebenfalls deutlich zum Ausdruck.[8]
„Betrachten wir das Gravitationsfeld und das elektromagnetische Feld vom Standpunkt der Ätherhypothese, so besteht zwischen beiden ein bemerkenswerter prinzipieller Unterschied. Kein Raum und auch kein Teil des Raumes ohne Gravitationspotentiale; denn diese verleihen ihm seine metrischen Eigenschaften, ohne die er überhaupt nicht gedacht werden kann. Die Existenz des Gravitationsfeldes ist an die Existenz des Raumes unmittelbar gebunden. Dagegen kann ein Raumteil sehr wohl ohne elektromagnetisches Feld gedacht werden.“
Einstein ist als theoretischer Physiker weltberühmt. Einem umfassenden Bild seiner wissenschaftlichen Persönlichkeit fehlt aber eine Facette, wenn man seine Leistungen als Experimentalphysiker und Ingenieur nicht berücksichtigt.
1915 führte Einstein zusammen mit Wander Johannes de Haas ein schwieriges Experiment durch. Durch den heute als Einstein-de-Haas-Effekt bekannten Effekt bestimmte er indirekt das gyromagnetische Verhältnis oder den Landé-Faktordes Elektrons. Da damals der Spin noch nicht bekannt war, glaubte man, der Ferromagnetismus beruhe auf dem Umlauf der Elektronen um den Atomkern (ampèresche Molekularströme), was einen Landé-Faktor von 1 bedeutet hätte. Die Schwierigkeit des Experiments verursachte größere statistische und systematische Fehler; jedoch kam eine Messreihe dem vorhergesagten Wert 1 sehr nahe und wurde von Einstein und de Haas als experimenteller Nachweis des Modells angesehen und veröffentlicht. Spätere Experimente mit höherer Genauigkeit zeigen jedoch, dass sich ein Landé-Faktor von ungefähr 2 ergibt, wie er nicht für den Umlauf des Elektrons, sondern für seinen Spin gilt. Dies zeigt, dass der Ferromagnetismus nicht vom Bahndrehimpuls der Elektronen herrührt.
Zur Technik des Kreiselkompasses trug Einstein durch seine Erfindungen der elektrodynamischen Lagerung und des elektrodynamischen Antriebs für die Kreisel bei. Einschlägige Fachkenntnisse hatte Einstein erworben, als er 1914 in einer patentrechtlichen Auseinandersetzung zwischen Hermann Anschütz-Kaempfe und Elmer Ambrose Sperry als Gutachter bestellt worden war. Mechanische Kreiselkompasse werden auch heute noch mit Einsteins patentierter Technik gebaut.
Es wird berichtet, dass Einstein und sein Kollege Leó Szilárd durch ein tragisches Unglück mit den damals üblichen giftigen Kältemitteln motiviert wurden, im Hinblick auf sichere Kühlschränke zu forschen. Eines der von Einstein und Szilárd angemeldeten Patente betraf eine elektrodynamische Pumpe für ein leitendes Kältemittel. In den Vereinigten Staaten erhielten beide für den Kühlschrank das US-Patent Nummer 1.781.541 am 11. November 1930 zugebilligt.[9]Obwohl Einstein mehrere seiner Patente verkaufen konnte, unter anderem an AEG und Electrolux, wurden seine Kühlschränke nie gebaut, da 1929 das Kältemittel Freon eingeführt wurde und somit die einsteinschen Patente mit einem Schlag obsolet waren. An einer Stelle hat Einsteins Erfindung dennoch überlebt: Die Pumpen für das Kühlmittel in schnellen Brutreaktoren, nämlich für flüssiges Natrium, werden immer noch nach Einsteins Prinzip konstruiert.
Vermutlich angeregt durch Ludwig Hopf beschäftigte sich Einstein zu Beginn des Ersten Weltkrieges mit den Strömungseigenschaften von Flugzeugtragflächen und entwarf um 1916 ein Tragflächenprofil, bei dem er durch Verzicht auf den Anstellwinkel den Luftwiderstand verringern wollte. In dem Zusammenhang veröffentlichte er im August 1916 die Arbeit Elementare Theorie der Wasserwellen und des Fluges. Die Luftverkehrsgesellschaft in Berlin-Johannisthal setzte Einsteins Konstruktionsvorschläge um, und die Tragflächen wurden aufgrund ihrer wenig eleganten Form als Katzenbuckelflügel bezeichnet. Ein Testflug zeigte dann jedoch, dass die Konstruktion aufgrund ihrer schlechten Flugeigenschaften unbrauchbar war. Der Testpilot Paul Georg Ehrhardt hatte große Mühe gehabt, das Flugzeug wieder zu landen und bezeichnete es als eine „schwangere Ente“. Einstein selbst war später, wohl auch im Hinblick auf mögliche militärische Anwendungen, froh, dass sich seine Vorschläge als unbrauchbar erwiesen hatten, und schämte sich seiner „Narretei aus jenen Tagen“.[10][11][12][13]
- ↑ Robert Marc Friedman: Einstein and the Nobel Committee. Authority vs. Expertise. In: europhysics news. Nr. 4, 2005, S. 129–133 (europhysicsnews.com (Memento vom 12. November 2006 im Internet Archive) [PDF; 292 kB; abgerufen am 29. Januar 2008]).
- ↑ Wofür erhielt Einstein den Nobelpreis? Abgerufen am 6. März 2023.
- ↑ GRUNDGEDANKEN UND PROBLEME DER RELATIVITÄTSTHEORIE. (PDF) Abgerufen am 6. März 2023.
- ↑ Robert M. Friedman: The Politics of Excellence: Behind the Nobel Prize in Science. Times Books, New York 2001.
- ↑ Brief an Max Born, datiert auf den 4. Dezember 1926.
- ↑ Zur Theorie der Strahlung. Erstveröffentlichung in: Mitteilungen der Physikalischen Gesellschaft Zürich. Nr. 18, 1916.
- ↑ Gesamter Text der Rede von Albert Einstein 1920 in Leiden: Äther und Relativitätstheorie.
- ↑ Frank Wilczek: Lightness of being: mass, ether, and the unification of forces. Basic books, New York 2008, ISBN 978-0-465-00321-1. Kapitel The Grid (Persistence of Ether). S. 82–83.
- ↑ Patent US1781541: Refrigeration. Veröffentlicht am 11. November 1930, Anmelder: Electrolux Servel Corporation, Erfinder: Albert Einstein, Leó Szilárd.
- ↑ Fölsing: Albert Einstein. S. 448.
- ↑ Armin Hermann: Einstein. Der Weltweise und sein Jahrhundert. Eine Biographie. Piper, 1994, ISBN 3-492-03477-2, S. 30–31.
- ↑ Rüdiger Haude: Grenzflüge: politische Symbolik der Luftfahrt vor dem Ersten Weltkrieg: das Beispiel Aachen. Böhlau, 2007, ISBN 978-3-412-20059-6, S. 498–499. (Auszug (Google))
- ↑ Made by Einstein. In: Welt.de. Abgerufen am 23. März 2023.