Naturwissenschaftliche Entdeckungen und Erfindungen
Physik
Relativitätstheorie
Albert Einstein begründete die physikalische Relativitätstheorie, die er (nach wichtigen Vorarbeiten von Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré) 1905 als spezielle Relativitätstheorie und 1916 (mit wichtigen Beiträgen von Marcel Grossmann und David Hilbert) als allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte. Einsteins Werke führten zu einer Revolution der Physik und die spezielle und 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.
Gegenstand des Nobelpreises
Der Verleihung des Nobelpreises im November 1922 für das Jahr 1921 ging eine Kontroverse voraus: Viele Mitglieder des Nobelpreiskomitees neigten eher zur Experimentalphysik als zur theoretischen Physik, und auch die Genauigkeit des Gravitationslinseneffektes, mit der die allgemeine Relativitätstheorie bestätigt wurde, wurde bezweifelt. Besonders Allvar Gullstrand, der fälschlicherweise glaubte, verschiedene Fehler in Einsteins Theorien gefunden zu haben, wehrte sich gegen eine Nominierung. So erhielt Einstein seinen Nobelpreis nicht für die Relativitätstheorien, auf Grund derer er seit 1910 nahezu jedes Jahr (bis auf 1911 und 1915) unter anderem von Max Planck und Arnold Sommerfeld nominiert wurde, sondern für die ebenfalls nobelpreiswürdige Deutung des photoelektrischen Effekts mit Hilfe der Lichtquantenhypothese.[22][23] Einsteins Nobelpreisrede, verspätet gehalten im Juli 1923 vor der Nordischen Naturalisten-Versammlung in Göteborg, betraf jedoch nicht den photoelektrischen Effekt, sondern behandelte – und trug auch den Titel – Fundamentale Ideen und Probleme der Relativitätstheorie.[24]
Quantenphysik
Albert Einstein mit Niels Bohr 1930.
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:[25]
„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.
Laser
1916 postulierte er die stimulierte Emission von Licht.[26] Dieser quantenmechanische Vorgang ist die physikalische Grundlage des Lasers, der 1960 erfunden wurde, und der neben dem Transistor zu den bedeutendsten technischen Erfindungen des 20. Jahrhunderts zählt, die auf die Quantenphysik zurückgehen.
Bose-Einstein-Kondensation
1924 sagte er zusammen mit Satyendra Nath Bose einen quantenmechanischen, aber dennoch makroskopischen Materiezustand voraus, der bei extrem tiefen Temperaturen eintreten sollte. Der später als Bose-Einstein-Kondensation bezeichnete 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.
Einheitliche Feldtheorie
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 geprägt war und noch heute ungelöst ist.
Häufig wird Einstein als einer derjenigen genannt, die einen hypothetischen Äther ablehnten und abschaffen wollten, was jedoch nur einschränkend der Fall war, wie in einer seiner Reden deutlich wird, gehalten am 5. Mai 1920 an der Reichs-Universität zu Leiden:[27]
„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.“
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 erforderliche 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.[28]
„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 welche 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.“
Siehe auch:
Technik
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 kennt.
Einstein-de-Haas-Effekt
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 des 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 Fehler; jedoch kam eine Messreihe dem vorhergesagten Wert 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 für den Spin des Elektrons aus der Dirac-Gleichung folgt. Dies zeigt, dass der Ferromagnetismus nicht vom Bahndrehimpuls der Elektronen herrühren kann.
Kreiselkompass
Zur Technik der Kreiselkompasse trug Einstein durch seine Erfindungen der elektrodynamischen Lagerung und des elektrodynamischen Antriebs für die Kreisel bei. Einschlägige Fachkenntnisse hatte Einstein erworben, als er 1914 als Gutachter in einer patentrechtlichen Auseinandersetzung zwischen Hermann Anschütz-Kaempfe und Elmer Ambrose Sperry als Gutachter bestellt worden war. Mechanische Kreisel werden auch heute noch mit Einsteins patentierter Technik gebaut.
Kühlmittelpumpe
Es wird berichtet, dass Einstein und sein Kollege Leó Szilárd durch ein tragisches Unglück mit den damals üblichen giftigen Kältemitteln motiviert wurden, nach sicheren Kühlschränken zu suchen. Eines der von Einstein und Szilard 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.[29] Obwohl Einstein mehrere seiner Patente verkaufen konnte, unter anderem an AEG und Electrolux, wurden seine Kühlschränke nie gebaut, da 1929 das sichere 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 flüssiges Natrium in schnellen Brutreaktoren werden immer noch nach Einsteins Prinzip konstruiert.
