Einstein. 7 Dinge, die Sie wissen sollten

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1 Einstein 7 Dinge, die Sie wissen sollten Er ist der berühmteste Wissenschaftler aller Zeiten: Albert Einstein Genie und Revolutionär der Physik. Er stellte unser Weltbild auf den Kopf und wurde zum Superstar der Wissenschaft. - Aber was genau war seine geniale Idee? Was hat es mit der Relativitätstheorie auf sich? Und was ist eigentlich mit seinem Gehirn passiert? 7 erstaunliche Dinge über Einstein! Redaktion: Daniele Jörg Chefautor: Ingo Knopf Autoren: Katharina Adick, Sebastian Funk, Dirk Gilson, Assistenz: Ursula Heidtmann Schulabbrecher und Rebell Was war Einsteins geniale Idee? Wie viel Einstein steckt in dir? Wie erträgt man ein Genie? Die Illusion der Schwerkraft Albert Einstein Superstar Einsteins größter Reinfall Würfelt Gott? Die Formel aller Formeln Was bedeutet eigentlich E=mc 2? Einstein und die Atombombe Einstein for President Was geschah mit Einsteins Gehirn? Einstein für Anfänger Seite 1

2 Schulabbrecher und Rebell Albert Einsteins holpriger Werdegang Dass aus Albert Einstein mal ein echtes Genie wurde, hätte anfangs niemand geglaubt. Seine Eltern machten sich Sorgen: Es dauerte lange, bis Albert zu sprechen begann. Sein Kindermädchen hielt ihn für dumm und auch in der Schule hatte Einstein eine Menge Probleme sein Gymnasium in München verließ er ohne Abschluss. Mythos schlechter Schüler Bis heute hält sich das Gerücht, Einstein sei ein schlechter Schüler gewesen. Doch das stimmt nicht. Um dem Militärdienst im Deutschen Reich zu entkommen, wanderte Einstein im Alter von 16 Jahren in die Schweiz aus und holte dort auch sein Abitur nach. Tatsächlich hatte er in Mathe und Physik nur Fünfen und Sechsen. Doch zu dieser Zeit war in der Schweiz die Sechs die beste Schulnote und Eins die schlechteste. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 2

3 Lesetipp Albert Einstein Autoren: Horst Ziegelmann, Jürgen Renn, Ernst Peter Fischer Verlagsangaben: be.bra Verlag, Mai 2012, ISBN: Sonstiges: 224 Seiten, 56 Abbildungen, gebunden, 32,00 Euro Ein sehr lesenswertes Buch für jeden, der mehr über den Menschen Einstein erfahren möchte und verstehen will, in welchem historischem und wissenschaftlichem Umfeld er seine Theorien entwickelt hat. Drei ausgewiesene Einstein-Experten schreiben in drei verständlich geschriebenen Kapiteln über sein Leben, wie er auf seine Relativitätstheorie kam und über Einsteins Beitrag zur Quantentheorie. Seite 3

4 Was war Einsteins geniale Idee? Wie Einstein auf die Relativitätstheorie kam Eigentlich kennen wir es so: Geschwindigkeiten addieren sich. Wirft man zum Beispiel einen Ball aus einem fahrenden Auto nach vorne, dann fliegt der Ball schneller, als wenn man ihn im Stehen abwirft. Ganz anders ist das beim Licht. Um 1900 konnten Wissenschaftler in Experiment beweisen: Lichtstrahlen breiten sich immer gleich schnell aus und zwar ganz unabhängig davon, wie schnell sich die Lichtquelle bewegt. Einsteins Schlussfolgerung: Die Zeit ist relativ Physiker konnten sich die Ergebnisse zuerst nicht erklären. Doch Einstein machte ein Gedankenexperiment und kam zu dem Schluss: Wenn die Lichtgeschwindigkeit tatsächlich absolut ist, dann stimmt unser physikalisches Weltbild nicht mehr. Zeit ist dann nicht absolut, sondern relativ. Je schneller man sich bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Es war der Beginn einer völlig neuen Physik. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Linktipp Die Relativitätstheorie einfach und verständlich erklärt Seite 4

5 Wie viel Einstein steckt in dir? So einfach lässt sich die Relativität der Zeit herleiten Dass Zeit nicht absolut, sondern relativ ist, war eine der wichtigsten Erkenntnisse Albert Einsteins. Mit seiner Relativitätstheorie, die auf dieser Erkenntnis aufbaut, revolutionierte er die Physik. Tatsächlich ist es ganz einfach, den Gedankengang von Albert Einstein nachzuvollziehen ohne eine einzige physikalische Formel. Filmautoren: Sebastian Funk, Dirk Gilson Seite 5

6 Wie erträgt man ein Genie? Die schwierige Ehe von Albert und Mileva Einstein Die Ehe ist der erfolglose Versuch, einen Zufall zu etwas dauerhaftem zu machen. Albert Einstein Glück im Job, Pech in der Liebe: Während Einstein in der Physik durchstartete, hakte es in seiner Ehe mit Mileva gewaltig. Anfangs teilten sie noch die Leidenschaft für die Wissenschaft, mit der Zeit aber wurde ihr Verhältnis immer schwieriger. Der Gipfel: Ein Ehevertrag, der Mileva dazu verpflichtete, ihm nicht zu nahe zu kommen. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 6

7 Die Illusion der Schwerkraft Wie ein fallender Mann unser Weltbild auf den Kopf stellte Einstein saß an seinem Schreibtisch und stellte sich vor, wie ein Mann vom Dach fällt. Das sei der glücklichste Gedanke seines Lebens gewesen, sagte er später. Denn Einstein folgerte: Der freie Fall ist identisch mit der Schwerelosigkeit und die Schwerkraft damit nur eine Illusion. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 7

8 Albert Einstein Superstar Wie Einstein weltberühmt wurde Albert Einstein ist der wohl bekannteste Wissenschaftler aller Zeiten. Und er prägte nicht nur die Physik, sondern auch Film und Fernsehen: Bis heute werden durchgeknallte Forscher auf der Leinwand gerne mit zotteliger Einstein-Mähne dargestellt. Weltruhm erlangte Einstein aber nicht durch sein außergewöhnliches Aussehen. Als 1919 bei einer Sonnenfinsternis seine Relativitätstheorie endgültig bestätigt wurde, kannte ihn über Nacht fast die ganze Welt. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 8

9 Einsteins größter Reinfall Warum das Universum doch nicht statisch ist Eigentlich war Albert Einstein schon auf der richtigen Spur: Seinen Formeln und Berechnungen nach musste sich das Universum entweder ausdehnen oder mit der Zeit zusammenziehen. Doch das wollte Einstein nicht glauben: Genau wie die meisten seiner Physiker-Kollegen ging er davon aus, dass das Universum statisch sei, seine Größe also nicht verändert. Das Universum dehnt sich aus Doch 1929 entdeckte der Astronom Edwin Hubble, dass sich das Universum seit dem Urknall tatsächlich ausdehnt. Damit war klar: Einstein hatte sich geirrt. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 9

10 Würfelt Gott? Warum die Welt nicht berechenbar ist Einsteins Relativitätstheorie beschreibt eine Welt, die wie ein Uhrwerk funktioniert: Wenn man genau genug misst, kann man alles berechnen. Tatsächlich funktioniert die Theorie hervorragend, wenn es darum geht, das Universum mit Sternen, Planeten und Galaxien zu beschreiben und zu erklären. Ganz anders aber bei Atomen: In dieser winzigen Welt versagt die Relativitätstheorie völlig. Die seltsame Welt der Quantenphysik Um die Prozesse in Atomen besser erklären zu können, hatten Physiker zu Einsteins Zeit eine andere Theorie entwickelt die Quantentheorie. Obwohl Einstein sogar die Grundlagen dafür gelegt hat, gefiel ihm diese Theorie überhaupt nicht: Denn in der Quantenphysik lässt sich nichts genau berechnen. Vieles hängt vom Zufall ab. Wohin sich zum Beispiel ein Elektron in der Atomhülle bewegt, lässt sich nicht exakt berechnen, sondern nur mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten vorhersagen. Einstein wollte das nicht glauben: Der Alte würfelt nicht, war seine Überzeugung. Und er geriet darüber in Streit mit seinen Kollegen. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 10

11 Die Formel aller Formeln Physiker auf der Suche nach der Weltformel Es ist das Streben nach mathematischer Schönheit, nach einem einzigen physikalischen Gesetz, das alle anderen umfasst. Einstein, Heisenberg und viele berühmte Physiker vor ihnen haben davon geträumt und ihr Leben lang vergeblich danach gesucht. Heute bewegen sich die Theorien zum Bauplan des Universums am Rande wissenschaftlicher Beweisbarkeit und klingen oft viel mehr nach Science Fiction als nach Forschung. Filmautorin: Katharina Adick Seite 11

12 Was bedeutet eigentlich E=mc²? Die berühmteste Formel der Welt Einsteins weltberühmte Formel E=mc² ist kurz und eigentlich auch ziemlich einfach. Sie besagt letztlich nichts anderes, als dass Masse und Energie äquivalent sind: Multipliziert man die Masse eines Objekt mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, so erhält man die enthaltene Energie. Und weil die Lichtgeschwindigkeit eine ziemlich große Zahl ist, kommt man schnell auf gigantische Energiemengen. Würde man alle Atome einer herkömmlichen Büroklammer vollständig in Energie umwandeln können, entspräche dies der Sprengkraft einer Atombombe. Strom durch die Umwandlung von Masse in Energie Verschmilzt man zwei Atome miteinander, wird ein Teil ihrer Masse in Energie umgewandelt. Dieser Prozess nennt sich Kernfusion. Forscher hoffen, mithilfe von Kernfusion eines Tages Strom erzeugen zu können. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 12

13 Einstein und die Atombombe Hat der Physiker bei der Entwicklung geholfen? Seit 1933 lebt Einstein in den USA. Von dort aus beobachtet er mit Sorge, dass die Nazis vermutlich an einer Atombombe arbeiten. In einem Brief warnt Einstein den amerikanischen Präsidenten: Eine Atombombe in den Händen der Nazis müsse auf jeden Fall verhindert werden. Forscher bitten Einstein um Hilfe Als neue Forschungsergebnisse die potenzielle Sprengkraft von Atombomben zeigen, treiben auch die USA die Entwicklung der Bomben voran. Doch bei der Herstellung gibt es technische Probleme. Die Ingenieure wenden sich an Einstein. Filmautorin: Katharina Adick Seite 13

14 Einstein for President Als der Physiker Staatschef werden sollte Einsteins Interessen galten nicht nur der Wissenschaft, sondern auch der Politik. Zu Beginn des ersten Weltkriegs unterzeichnete er einen Aufruf gegen den Krieg und blieb Zeit seines Lebens Pazifist. Zudem war er Sozialist, was ihm in den USA einige Probleme bereitete: FBI-Agenten beschatteten ihn, zapften sein Telefon an und durchwühlten seinen Müll. Doch während die USA Einstein wie einen Feind behandelten, hätte ein anderes Land ihn gerne zu seinem Präsidenten gemacht. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 14

15 Was geschah mit Einsteins Gehirn? Auf der Suche nach dem Geheimnis seiner Genialität Die Geschichte von Albert Einsteins Gehirn ist ziemlich bizarr: Denn nach seinem Tod begann für seine grauen Zellen eine wahre Odyssee. Ohne vorherige Einwilligung Einsteins und ohne Erlaubnis seiner Angehörigen entnahm der Pathologe Thomas Harvey bei der Obduktion Einsteins Gehirn. Er zerschnitt es in 240 Scheiben und lagerte sie in Formaldehyd eingelegt in Einmachgläsern in seinem Keller. Erst viele Jahre später konnte Harvey, der selber kein Hirnspezialist war, Hirnforscher davon überzeugen, das Organ zu untersuchen. Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf Seite 15

16 Einstein für Anfänger Relativitätstheorie zum Mitreden Welches Weltbild hatten Physiker eigentlich vor Einstein? Als Einstein 1896 sein Physikstudium in Zürich begann, galt die Physik als vollständig verstandene Wissenschaft. Zweihundert Jahre zuvor hatte Sir Isaac Newton die Gesetze der Mechanik beschrieben und die schienen allgemein gültig. Newton ging davon aus, dass Zeit und Raum absolut sind. Das heißt: Weder Raum noch Zeit können von physikalischen Phänomene beeinflusst werden wie etwa der Schwerkraft. Als Einstein Student waren, interessierten sich die Physiker vor allem für die damals neuen Felder der Physik: Elektrizität und Magnetismus, elektrische Felder, Strom und magnetische Kräfte. Sie rätselten auch über das Wesen des Lichts: Bekannt war, dass sich Licht wie eine Welle verhält. Wie Wasserwellen nur fehlte ein Medium wie Wasser. Deshalb erfand man den Äther, etwas, durch das sich Licht ausbreiten konnte. Und genau das war damals das heiße Forschungsthema: die Suche nach eben diesem Äther. Was war Einsteins zentrale Idee? Einstein sagte von sich selbst: Ich habe keine besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaftlich neugierig. Seine zentrale Idee war bahnbrechend und stand im völligen Kontrast zur Physik seiner Zeit. Er suchte eben nicht nach einem Äther sondern überdachte die Physik neu und kam zu dem Schluss: Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant. Seite 16

17 Damit war der Äther vom Tisch und es änderte sich alles. Eine maximale Geschwindigkeit für Licht war ein vollkommener Bruch mit der Mechanik von Newton und Galilei. Und es bedeutete auch: die Zeit muss relativ sein. Was heißt das: Die Zeit ist relativ? Wenn man mit dem Mädchen, das man liebt, zwei Stunden zusammensitzt, denkt man, es ist nur eine Minute; wenn man aber nur eine Minute auf einem heißen Ofen sitzt, denkt man, es sind zwei Stunden - das ist Relativität. Diese humorvolle, für Einstein typische Antwort, enthält auch eine wichtige Wahrheit: Wie schnell die Zeit scheinbar vergeht, hängt vom Betrachter ab. In Einsteins spezieller Relativitätstheorie, die er 1905 veröffentlichte, gibt es dazu ein Gedankenexperiment: Stellen wir uns vor, wir stehen an einer Bahnschranke und ein ICE fährt mit Höchstgeschwindigkeit vorbei. Wir beobachten dabei einen Fahrgast am Fenster. Für uns erscheint es so, dass sich der Fahrgast mit hoher Geschwindigkeit an uns vorbei bewegt, während wir in Ruhe an der Schranke warten. Für den Fahrgast aber sieht es anders aus: Für ihn bewegen wir uns mit hoher Geschwindigkeit an seinem Fenster vorbei im Abteil scheint aber alles in Ruhe. Er merkt nicht, dass er sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, da sich alles im Abteil mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt. Der einzige Unterscheid zwischen uns und dem Fahrgast ist unsere relative Geschwindigkeit zueinander aber genau dieser Unterschied wirkt sich auf die Zeit aus. Wir gehen ein paar Schritte und schaffen einen Meter in einer Sekunde. Genausoweit kommt der Fahrtgast, wenn er durch den Zug geht. Für uns als Beobachter aber hat er innerhalb dieser einen Sekunde eine weitaus größere Strecke zurückgelegt: etwa 55 Meter. Wie aber geht das? Eine so viel größere Strecke in gleicher Zeit? Eine Erklärung: Die Sekunde im Zug hat länger gedauert als bei uns an der Schranke. Die Zeit verging also unterschiedlich schnell man spricht von einer Zeitdilatation. Auf Deutsch: die Zeit hat sich gedehnt. Das Zugmodell macht dieses Prinzip klar, aber trotzdem hinkt es etwas: In Einsteins Welt hätten wir und der Fahrgast uns mit Lichtgeschwindigkeit bewegen müssen. Dann erst könnte man diese Zeitdilatation messen. Was ist die Raumzeit? Vor Einsteins Relativitätstheorie waren die Begriffe Raum und Zeit völlig voneinander getrennt. Erst durch Einstein sind die drei Dimensionen eines Raumes untrennbar mit einer weiteren Dimension verbunden: der Zeit. Das Ergebnis ist ein vierdimensionales Gebilde: die Raumzeit. Alles dehnt sich also Seite 17

18 nicht nur nach links oder rechts, oben oder unten, vorne oder hinten aus sondern auch nach vorher oder nachher. Existiert etwas einen Monat lang, hat es also eine Ausdehnung in der Dimension Zeit, die wir als einen Monat bezeichnen. In dieser Raumzeit ist die Gegenwart nicht anders als die Vergangenheit oder die Zukunft sie ist einfach nur ein bestimmter Punkt in der Raumzeit. Was ist die Raumzeitkrümmung? Um die Raumzeit vorstellbar zu machen, stellt man sich gerne ein elastisches Tuch vor, wie etwa ein Spannbettlaken. Jetzt belasten wir die Raumzeit mit einer Masse, zum Beispiel mit einem Planeten. Die Masse drückt das Tuch ein und es bildet sich ein Trichter um den Planeten im Raumzeittuch wir haben die Raumzeit gekrümmt. Dadurch verändern sich Raum und Zeit gleichermaßen. Im Modell mit dem elastischen Tuch rutschen jetzt leichtere Objekte in diesen Trichter. Für uns erscheint es so, als ob die Objekte eine Schwerkraft erfahren. Diese Schwerkraft oder Gravitation ist also nur eine Erscheinung der gekrümmten Raumzeit. Analog zum Raum wird auch die Zeit gekrümmt. Dies bedeutet, dass die Zeit im Inneren des Trichters langsamer verläuft als außerhalb des Trichters. Unsere Füße stehen tiefer im Raumzeittrichter als unser Kopf. Natürlich nicht viel trotzdem vergeht die Zeit für unsere Füße langsamer als für unseren Kopf. Nach einer Lebensdauer von 80 Jahren ist unser Kopf 300 Nanosekunden älter als unsere Füße. Was heißt das eigentlich: E=mc 2? Einsteins berühmte Formel E=mc 2 ist eigentlich nur ein Bruchteil seiner Relativitätstheorie. Sie besagt, dass Masse und Energie vergleichbar sind. Jede Masse kann also auch als Energie verstanden werden und jede Energie auch als Masse. Etwa bei einem Lichtteilchen: Dieses Teilchen hat keine Masse, sondern nur Energie. Mit Einsteins Formel kann aus dieser Energie aber eine Masse berechnet werden. Für die Raumzeit heißt das, dass auch Energie unser elastisches Raumtuch zeitlich eindellen kann. Je größer die Energie, desto stärker die Raumzeitkrümmung. Lange Zeit wurde fälschlicherweise behauptet, dass Einstein mit dieser Formel den Bau der Atombombe erst möglich gemacht habe. Dies stimmt allerdings nicht: Mit der Formel konnte lediglich die Energie berechnet werden, die bei Seite 18

19 Kernspaltungen entsteht. Zum Bau einer Atombombe ist sie also nicht geeignet, sondern lediglich, um die Physik der Kernspaltung zu verstehen. Was bedeutet das für mich kann ich Einstein im Alltag spüren? Auf diese Frage wird häufig ein klassisches Beispiel aus unserem modernen Alltag herangezogen: das Navigationssystem GPS. Das stimmt auch zum Teil. Tatsächlich bewegen sich die GPS-Satelliten so schnell um die Erde, dass die Atomuhren im Inneren der Satelliten eine andere Zeit messen als wir auf der Erde. Die Satelliten-Uhren ticken langsamer. Zum Navigieren im dreidimensionalen Raum benötigt man mindestens drei GPS-Satelliten. Alle drei senden per Funksignal ihre gemessenen Positionen und Zeiten an uns. Würde unser Navigationssystem jetzt nur die Information von drei Satelliten bekommen, müsste es mit Hilfe der Relativitätstheorie die Zeit der Satelliten auf Erdzeit umrechnen ansonsten wäre die Positionsbestimmung sehr ungenau. Tut es aber nicht: Unsere Navis empfangen nicht nur drei, sondern die Signale von vier Satelliten. Und müssen dadurch eben nicht ständig mit einer irdischen Atomuhr abgleichen und so auch keine relativistischen Berechnungen anstellen. Eine kleine Ungenauigkeit der Position gibt es immer noch, aber die ist vertretbar. Wo wir Einstein aber wirklich im täglichen Alltag nutzen, sind Radarfallen, Photovoltaikanlagen und Digitalkameras. Eine Radarfalle muss stets den relativistischen Zeitfehler zwischen ausgehender und empfangener Radarwelle berechnen nur so kann sie die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs berechnen. Die Technik von Photovoltaikanlagen und Digitalkameras hat zwar mit Einstein zu tun, aber nichts mit der Relativitätstheorie: Albert Einstein entdeckte den photoelektrischen Effekt, der dafür sorgt, dass Licht Strom erzeugen kann. So funktionieren Photovoltaikanlagen. Einstein fand auch heraus, dass unterschiedlich gefärbtes Licht eine unterschiedliche Menge Strom erzeugt. Der Bildsensor in einer Digitalkamera nutzt diesen Effekt aus, um ein Farbbild zu erzeugen. Für genau diese Entdeckung erhielt Albert Einstein 1921 den Nobelpreis in Physik. Seite 19

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