Photoelektrischer Effekt
Licht besteht aus Quanten. Genau dafür — nicht für die Relativität — erhielt er später den Nobelpreis.
01 — Annus Mirabilis
Vier Arbeiten in einem Jahr — geschrieben am Patentamt
Mit 26 Jahren, als technischer Experte dritter Klasse am Berner Patentamt, veröffentlichte Einstein 1905 vier Aufsätze in den Annalen der Physik — jeder allein hätte einen Namen begründet.
Brownsche Bewegung
Ein Beleg für die reale Existenz von Atomen, abgeleitet aus dem Zittern winziger Teilchen.
Spezielle Relativität
„Zur Elektrodynamik bewegter Körper.“ Die Lichtgeschwindigkeit ist für alle gleich — Zeit und Länge nicht.
E = mc²
Masse und Energie sind dasselbe in zwei Währungen. Eine winzige Masse birgt enorme Energie.
Die spezielle Relativität ruht auf zwei Postulaten: die Lichtgeschwindigkeit c ist für jeden Beobachter gleich, und die Naturgesetze gelten in allen gleichförmig bewegten Systemen. Daraus folgen Dinge, die der Alltagsintuition widersprechen — bewegte Uhren gehen langsamer (Zeitdilatation), bewegte Maßstäbe verkürzen sich, und „gleichzeitig“ ist keine absolute Aussage mehr.
Das war erst der Anfang. Der Raum war flach, die Zeit eine Konstante. Erst zehn Jahre später sollte beides selbst beweglich werden.
Genau hingesehen: Der Nobelpreis für Physik 1921 (verliehen 1922) ging an Einstein für den photoelektrischen Effekt — die Relativitätstheorie galt damals als zu umstritten. Der Mythos „Nobelpreis für E = mc²“ stimmt nicht.
02 — Das Äquivalenzprinzip
Der glücklichste Gedanke seines Lebens
1907 kam Einstein die Einsicht, die er später den „glücklichsten Gedanken“ seines Lebens nannte: Ein frei Fallender spürt keine Schwerkraft. Im fallenden Aufzug ist man schwerelos. Gravitation und Beschleunigung sind lokal nicht zu unterscheiden — das Äquivalenzprinzip.
Wenn aber Schwerkraft und Beschleunigung dasselbe sind, dann muss auch ein Lichtstrahl in einem Gravitationsfeld gebogen werden — denn in einer beschleunigten Kabine erscheint er gekrümmt. Acht Jahre Ringen mit der Mathematik folgten.
Im November 1915 legte Einstein der Preußischen Akademie der Wissenschaften die endgültigen Feldgleichungen vor; 1916 folgte die Grundlagenarbeit „Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie“.
Die Raumzeit ist nicht die Bühne. Sie ist Akteur. — Leitgedanke der allgemeinen Relativität
Im nächsten Abschnitt scrollst du selbst die Masse in den Raum — und siehst, wie sich die Geometrie unter ihr senkt.
03 — Materie krümmt den Raum
Weiterscrollen · der Lichtstrahl folgt der Krümmung
Gravitation ist keine Kraft — sie ist Geometrie
Setze eine Masse in den Raum, und die Raumzeit senkt sich um sie zu einem Trichter. Ein Planet, der die Sonne umkreist, wird nicht gezogen — er fällt frei entlang der Geodäte, der geradesten Bahn in einer gekrümmten Geometrie. Auch Licht folgt dieser Krümmung und wird abgelenkt.
Je dichter die Masse, desto steiler der Trichter. Treibt man es weit genug, schließt sich die Krümmung zu einem Horizont, hinter dem nicht einmal Licht entkommt — ein schwarzes Loch.
Analogie, nicht Wahrheit: Das „Gummituch“ mit einer eingedellten Kugel ist ein Bild, kein Abbild. Es zeigt nur die räumliche Krümmung in 2D — nicht die der Zeit (die für die alltägliche Schwerkraft sogar der größere Effekt ist) — und „erklärt“ die Schwerkraft streng genommen zirkulär. Hier dient es allein der Anschauung.
04 — Der Beweis
29. Mai 1919 — als der Himmel Einstein recht gab
Die Theorie machte eine prüfbare Vorhersage: Die Sonne lenkt das Licht ferner Sterne ab — um ≈ 1,75″ am Sonnenrand, doppelt so viel wie Newtons Physik erlaubt hätte. Sichtbar wird das nur, wenn der Mond die Sonne verdeckt.
Bei der totalen Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919 maßen zwei britische Expeditionen unter Arthur Eddington — auf der Insel Príncipe und im brasilianischen Sobral — die Sternpositionen. Am 6. November 1919 verkündete man in London: Einstein hatte recht. Über Nacht wurde er weltberühmt; die Times titelte „Revolution in der Wissenschaft“.
Ehrlich bleiben: Eddingtons Daten von 1919 waren mit erheblichen Messunsicherheiten behaftet. Erst spätere, präzisere Messungen bestätigten die Vorhersage zweifelsfrei. Die Schlagzeile war berechtigt — die Datenlage dahinter dünner als der Mythos.
05 — Das Vermächtnis
Eine Theorie, die noch heute Vorhersagen besteht
Die allgemeine Relativität blieb kein Gedankengebäude. Aus ihr folgten Objekte und Effekte, die erst Jahrzehnte später gemessen wurden — bis hinein in deine Hosentasche.
1916
Schwarze Löcher
Karl Schwarzschild fand noch 1916 eine exakte Lösung der Feldgleichungen, die schwarze Löcher beschreibt. → Ereignishorizont
2015
Gravitationswellen
1916 vorhergesagt, erstmals direkt gemessen am 14. September 2015 (LIGO), bekanntgegeben am 11. Februar 2016 — 100 Jahre später.
≈38 µs
GPS, jeden Tag
Satelliten-Uhren laufen pro Tag rund 38 Mikrosekunden anders als am Boden. Ohne diese Korrektur wäre Navigation binnen Stunden um Kilometer falsch.
E = mc² — winzige Masse, gewaltige Energie
Wie viel Energie steckt in ein paar Gramm Masse? Schieb die Masse.
E = m · c² (c = 299 792 458 m/s)
≈ 8,99 · 10¹³ J
entspricht ca. 21 478 Tonnen TNT
entspricht ca. 21 478 Tonnen TNT
Zeitdilatation — die bewegte Uhr geht nach
Je näher an der Lichtgeschwindigkeit, desto langsamer tickt die bewegte Uhr (rechts) gegenüber der ruhenden (links).
Zeitdehnung 2,03 × — die bewegte Uhr läuft um diesen Faktor langsamer.
06 — Der Mensch
Denker und Humanist — von Ulm nach Princeton
- 14. März 1879geboren in Ulm.
- 1933Emigration vor den Nationalsozialisten in die USA; Besitz beschlagnahmt, Schriften verbrannt.
- 1939Unterschrift unter den von Leó Szilárd verfassten Brief an Roosevelt.
- 18. April 1955gestorben in Princeton, New Jersey.
Einstein war überzeugter Pazifist und Demokrat. 1933, nach der Machtübernahme der Nationalsozialisten, kehrte er nicht nach Deutschland zurück; er fand in Princeton eine neue Heimat, während sein Besitz beschlagnahmt und seine Bücher verbrannt wurden.
1939 unterzeichnete er einen von dem ungarischen Physiker Leó Szilárd verfassten Brief an US-Präsident Roosevelt, der vor einer möglichen deutschen Atombombe warnte.
Differenzieren: Einstein war nicht Teil des Manhattan-Projekts. Die Unterschrift unter den Roosevelt-Brief nannte er später den „größten Fehler“ seines Lebens. (Szilárd gehört zu den ungarischen „Marslakók“. → A Marslakók)
Die geometrische Krümmung der Raumzeit war nicht das Ende, sondern der Anfang einer neuen Sicht des Kosmos. — und ihr Urheber blieb zeitlebens ein nachdenklicher Mensch
