Albert Einstein: 1905 – das Wunderjahr auf dem Papier

Einsteins Hauspostille: die “Annalen der Physik“

Die „Annalen der Physik“ sind eine der ältesten Fachzeitschriften der Welt. Sie erschien erstmals 1790 als „Journal der Physik“ und wurde 1799 in „Annalen der Physik“ umbenannt. Im Jahr 2005 erscheint ihr 517. Band. Zu Einsteins Zeiten erschienen die „Annalen“ noch in deutscher Sprache und in gewissem Sinne waren sie viele Jahre Albert Einsteins Hauspostille. Der damals Zweiundzwanzigjährige schaffte es 1901 zum ersten Mal, dort einen Artikel zu veröffentlichen. Bis 1922 erschienen hier 49 Beiträge von Einstein auf insgesamt 471 Seiten. Die Annalen erscheinen in Serien. Die Serien sind in Bände gegliedert, die jeweils mehrere hundert Seiten umfassen. Jeden Monat erscheint ein Teil eines Bandes als Heft. Erst wenn die Hefte eines Bandes zum Buchbinder gegeben worden sind, steht in der Bibliothek schließlich ein dickes Buch. Zwischen 1900 und 1906 erscheint die vierte Serie, innerhalb derer die Bandzählung wieder mit eins beginnt. Deswegen erscheinen 1905 die Bände 17 und 18 (in der Gesamtzählung sind es die Bände 322 und 323).

Band 17, Seite 132 - auf 17 Seiten zum Nobelpreis

Am 18. März 1905, einem Samstag, öffnete die Sekretärin der „Annalen“ die Post und versieht jeden der eingehenden Artikel mit einem Eingangsstempel. Dies ist wichtig, denn im Falle eines Prioritätsstreites entscheidet das Datum des Einganges darüber, wer als Erster eine neue Idee publiziert hat.

Wieder einmal ist ein Artikel von einem gewissen Albert Einstein aus Bern dabei. Er trägt den Titel: „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“. Es geht also um das Licht. Einstein räumt ein, dass die Ausbreitung des Lichtes und das gesamte Gebiet der Optik sehr gut mit Hilfe der elektromagnetischen Felder beschrieben werden kann, die von Faraday und Maxwell eingeführt worden waren. Einstein nennt diese Felder „kontinuierliche Raumfunktionen“. In einer solchen „Feldtheorie“ wird die Energie eines Lichtstrahls auf den ganzen Raum verteilt und damit auch verdünnt. Diese Verdünnung führt in großer Entfernung zur Lichtquelle dann auch zwangsläufig zu einer beliebig kleinen Energiedichte.

Logische Widersprüche treten aber auf, wenn man auch den Vorgang der Lichterzeugung beschreiben will. Dabei wird Energie in Licht verwandelt. Umgekehrt kann man durch Bestrahlung von Licht einem Körper auch Energie zuführen. Einstein erklärt in seinem Artikel nun, dass sich diese Vorgänge besser erklären lassen, wenn die „Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raum verteilt ist“. D. h., die Energie des Lichtes ist im Raum klümpchenweise verteilt. Einstein weist diesen Energiepaketen den Namen „Energiequanten“ zu und gehört in diesem Moment zu den Gründungsvätern der „Quantenphysik“. Für diese Erfindung der „Photonen“ wie Einstein später seine Lichtquanten nennt, wird er 1921 den Nobelpreis erhalten.

Doch was ist Licht nun wirklich? Welle oder Teilchen? Einstein löst in seiner Arbeit zwar die logischen Widersprüche der Experimente, aber von nun an ist die Physik unanschaulich. Die Frage „Welle oder Teilchen?“, die schon von Newton und Huygens diskutiert worden war, ist wieder auf der Tagungsordnung. Die Antwort ist bis heute eine Zumutung für Nichtphysiker. Kein „entweder oder“ sondern ein „sowohl als auch“: Licht zeigt in manchen Experimenten eine Wellennatur, in anderen Experimenten verhält es sich wie ein Teilchenstrom. Seit 1905 ist die Wirklichkeit nicht immer einfach ...

Band 17, Seite 549 - mit dem Mikroskop in die Welt der Atome

Die zweite Arbeit des “annus mirabilis“ trägt den etwas sperrigen Titel „Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen“. In ihr greift Einstein eine alte Beobachtung auf, die der britische Botaniker R. Brown (1773-1858) im Jahre 1827 veröffentlicht hatte: Dieser hatte winzig kleine Pollen in einer Flüssigkeit verteilt. Unter dem Mikroskop beobachtete er, dass sich diese Pollen in der Flüssigkeit auf unregelmäßige Art und Weise bewegten. Und dies, obwohl die Flüssigkeit in Ruhe war, und sich Pollen bekanntlich nicht von selbst bewegen können. Das Phänomen heißt bis heute „Brownsche Bewegung“. Einstein erklärt diese Bewegung der im Vergleich zu den Flüssigkeitsmolekülen riesigen Pollen mit den Stößen, die sie durch die Wärmebewegung der Moleküle erfahren. Aber nicht nur das. Er zeigt außerdem, wie man durch Beobachtung dieser Bewegung auf die wahre Größe der Moleküle schließen kann. Damit kann mit jedem besseren Mikroskop die tatsächliche Existenz von Molekülen, bzw. Atomen nachgewiesen werden. Noch im Jahre 1905 waren Atome für viele Physiker hypothetische Teilchen, die es zwar in der mathematischen Physik, aber nicht „wirklich“ gab. Einstein belehrt sie eines besseren und gehört damit zu den ersten „Atomphysikern“.

Band 17, Seite 891: Zur Elektrodynamik bewegter Körper - die Spezielle Relativitätstheorie

Die dritte Arbeit des Jahres 1905, die Albert Einstein im Juni den „Annalen“ zugeschickt hatte, hat zwar den kürzesten Titel aber die größte Tragweite. Hinter der unscheinbaren Überschrift steckt nichts Geringeres als die „Spezielle Relativitätstheorie“.

Auf 31 Seiten entwickelt Einstein seine revolutionären Gedanken über Raum und Zeit. Der Stil des Artikels mutet einen heutigen Physiker etwas fremd an:

Es ist die Arbeit eines selbstbewussten Außenseiters, der sich seiner Bedeutung schon jetzt bewusst ist.

Die Arbeit beginnt mit einer zweiseitigen Einleitung, in der Einstein sein Programm vorstellt. Wie so häufig weist er zu Beginn auf Widersprüche zwischen den Beobachtungen (er nennt sie gerne „Phänomene“ oder „Erscheinungen“) und der Theorie hin. In diesem Fall betrachtet er das Prinzip des Dynamos. Ein elektrischer Leiter (z. B. eine Spule) bewegt sich relativ zu einem ruhenden Magneten. Das Ergebnis ist vom Fahrrad her bekannt: Es fließt ein Strom. Nun wird die Spule angehalten, und der Magnet soll sich um die Spule drehen. Natürlich ist das Ergebnis dasselbe: Es fließt wieder ein Strom. Es kommt nur auf die Relativbewegung der beiden Teile des Dynamos an. In der Theorie werden beide Fälle aber unterschiedlich behandelt. Hier kommt es darauf an, welches der beiden Teile, Magnet oder Leiter, „in Ruhe“ ist.

Das stört Einstein. Und hier finden wir den Grundgedanken der Relativitätstheorie. Einstein mochte diese Bezeichnung übrigens nicht sehr. In seinen frühen Arbeiten spricht er lieber vom „Prinzip der Relativität“, denn es geht um einen Grundsatz, der für jede Theorie gelten soll: Zwei Beobachter, die sich mit einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit relativ zueinander bewegen, erzielen bei allen Messungen immer die gleichen Ergebnisse. Insbesondere messen sie die gleiche Lichtgeschwindigkeit. Die Folge davon ist: Kein Körper kann sich in absoluter Ruhe befinden. In Ruhe befindet er sich immer nur relativ zu einem anderen. Es gibt also keinen absoluten Raum, und genauso wenig gibt es eine absolute Zeit. Oder anders ausgedrückt. Es kommt nur auf relative Bewegungen an.