Albert Einstein - Das Wunderjahr

Albert Einstein

Das Wunderjahr

Obwohl Einstein einen Tagesjob beim Patentamt hatte, verbrachte er einen Großteil seiner Zeit damit, seine eigenen wissenschaftlichen Theorien zu entwickeln. Bis 1905 war er bereit, seine Theorien der Welt zu präsentieren. In diesem Jahr veröffentlichte er vier wissenschaftliche Arbeiten, die sich jeweils mit einem anderen Thema befassten, in einem Physikjournal namensAnnalen der Physik. Diese Arbeiten waren bahnbrechend und bildeten die Grundlage für die moderne Physik. Dieser Ausbruch wissenschaftlicher Entdeckungen wird von Historikern oft als 'Wunderjahr' bezeichnet.

Photoelektrischer Effekt und Lichtquante

Das erste Papier, das Einstein im Wunderjahr veröffentlichte, trug den Titel 'Aus heuristischer Sicht zur Erzeugung und Transformation von Licht. ' In diesem Artikel wurde die Idee eingeführt, dass Licht keine kontinuierliche Welle ist, sondern aus Paketen besteht, die er Quanten nennt. Später würde der Begriff 'Photonen' verwendet, um Einsteins kleine Lichtteilchen zu beschreiben.

Einstein zog diese Idee nicht nur aus dem Nichts, sondern leitete sie aus aktuellen wissenschaftlichen Theorien und Experimenten anderer Physiker ab. Max Plancks Arbeit (Plancksche Konstante) sowie experimentelle Arbeiten zum photoelektrischen Effekt von Philipp Lenard hatten großen Einfluss auf Einsteins Theorie.

Zeichnung des photoelektrischen Effekts

Photoelektrischer Effekt
Quelle: Wikimedia Commons

Diese Idee, dass Licht in Quanten existiert, wurde ursprünglich von der wissenschaftlichen Gemeinschaft, einschließlich der meisten großen Physiker der Zeit, abgelehnt (sogar Max Planck lehnte diese Hypothese ab). Erst viele Jahre später, 1919, als Experimente die Genauigkeit von Einsteins Theorie zeigten, wurde die Theorie der Photonen allgemein akzeptiert. Als Einstein 1921 den Nobelpreis erhielt, wurde seine Arbeit über den photoelektrischen Effekt ausdrücklich erwähnt. Das Photon ist heute ein wesentlicher Bestandteil der modernen Physik.

Brownsche Bewegung

Einsteins zweite Arbeit von 1905 war nicht so bahnbrechend wie seine erste, erwies sich aber dennoch als wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Physik. Das Papier hatte den Titel 'Über die Bewegung kleiner Partikel, die in einer stationären Flüssigkeit suspendiert sind, wie es die molekularkinetische Theorie der Wärme erfordert. '

In dieser Arbeit verwendete Einstein die zufällige Bewegung von Molekülen, um die Brownsche Bewegung in Flüssigkeit zu erklären. Bis zu diesem Zeitpunkt war die Erklärung der Brownschen Bewegung in Flüssigkeit ein Stolperstein bei dem Versuch, die Existenz von Molekülen und Atomen zu beweisen. Mithilfe der statistischen Physik konnte Einstein erklären, wie die kleinen zufälligen Effekte von Millionen winziger Moleküle die Bewegung eines größeren Teilchens (d. H. Brownsche Bewegung) verursachen können. Diese Arbeit bewies nicht nur die Existenz von Molekülen und Atomen, sondern auch die Bedeutung der statistischen Physik in der Wissenschaft.

Farbcodiertes Diagramm der Brownschen Bewegung

Farbcodiertes Diagramm der Brownschen Bewegung

Grafik, die die Diffusion von Brownschen Partikeln zeigt
Quelle: Statistische Thermodynamik ohne Gleichgewicht

Spezielle Relativität

Einsteins drittes Papier von 1905 trug den Titel 'Zur Elektrodynamik bewegter Körper. ' Dieses Papier wurde später als Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie bekannt. In diesem Artikel wurden wesentliche Änderungen in der Mechanik der Physik eingeführt, als sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Objekten der Lichtgeschwindigkeit näherte. Die Ergebnisse von Einsteins Theorie führten mehrere bahnbrechende Konzepte ein, einschließlich der Idee, dass Zeit, Masse und Raum für Objekte, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, nicht konstant sind.

In der Zeitung postulierte Einstein, dass die Lichtgeschwindigkeit jedoch immer konstant sei. Es änderte sich nicht basierend auf der Relativgeschwindigkeit des Beobachters und der Lichtquelle. Anschließend untersuchte er die Idee simultaner Ereignisse und kam zu dem Schluss, dass Ereignisse, die für einen Beobachter gleichzeitig auftraten, für einen anderen Beobachter möglicherweise nicht gleichzeitig auftreten. Im Gegensatz zu vielen wissenschaftlichen Arbeiten erklärte Einstein seine neue Theorie, indem er eher Gedankenexperimente als komplexe Mathematik beschrieb. Er verwendete das Beispiel einer Person, die in einem Zug unterwegs war, gegenüber einer Person, die auf dem Bahnsteig stand, um zu veranschaulichen, wie seine Theorie funktionierte.

Einstein behauptete auch, dass der mysteriöse „Äther“, den Wissenschaftler seit Hunderten von Jahren zu definieren versuchten, nicht existiere. Das klingt heute vielleicht nicht bahnbrechend, aber das Konzept des „Äthers“ war zu dieser Zeit eine wichtige Idee in der Physik. Die Idee des 'Äthers' abzulehnen war eine gewagte Aussage und veränderte den Kurs der Physik.

Porträt von Hendrik Lorentz

Einstein stützte sich auf die Arbeit des niederländischen Physikers
Hendrik Lorentz bei der Definition der Speziellen Relativitätstheorie
Quelle: Königliche Bibliothek

Masse-Energie-Äquivalenz

Die Abschlussarbeit von Einsteins Wunderjahr trug den Titel 'Hängt die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt ab?'Dieses Papier führte eine der bekanntesten wissenschaftlichen Gleichungen in der Geschichte ein: E = mc^zwei. In diesem Artikel wurden einige der Konzepte verwendet, die Einstein erstmals in seinem Artikel über die Spezielle Relativitätstheorie vorgeschlagen hatte. Es wurde gezeigt, dass die Masse eines Objekts das Maß für den Energiegehalt des Objekts ist. Masse und Energie waren im Grunde dasselbe.

Diese Idee und Einsteins berühmte Gleichung hatten enorme Auswirkungen. Die Gleichung zeigte, dass selbst eine kleine Menge an Masse große Mengen an Energie enthielt. Wenn Sie sich Einsteins Gleichung ansehen, werden Sie sehen, dass Energie (E) gleich der Masse (m) mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c) ist. Die Lichtgeschwindigkeit (c) ist eine konstante und große Zahl (ungefähr 300.000 km / s oder 186.000 Meilen / s). Also, sogar eine kleine Menge an Masse multipliziert mit c^zweiwird viel Energie sein. Diese Idee führte schließlich zur Atombombe und zur Kernenergie.

Einsteins berühmte Formel E = mc2
Verfasser: Derek Jensen

Interessante Tatsache

Einstein präsentierte auch seine Dissertation 'Eine neue Bestimmung der molekularen Dimensionen1905 promovierte er in Physik an der Universität Zürich.

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