Am Ende des Jahrtausends Physikwelt Das Magazin führte eine Umfrage durch, in der 100 der weltweit führenden Physiker befragt wurden, die sie als die 10 besten Wissenschaftler aller Zeiten betrachteten. Albert Einstein ist nicht nur der berühmteste Wissenschaftler, der je gelebt hat, sondern auch ein bekannter Name, der für Genialität und unendliche Kreativität steht.
Als Entdecker der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie revolutionierte Einstein unser Verständnis von Zeit, Raum und Universum. Diese Entdeckung, zusammen mit der Entwicklung der Quantenmechanik, beendete effektiv die Ära der Newtonschen Physik und führte zur Moderne. Während die vergangenen zwei Jahrhunderte von universeller Gravitation und festen Bezugsrahmen geprägt waren, leitete Einstein ein Zeitalter der Unsicherheit, der Schwarzen Löcher und der „furchterregenden Fernwirkung“ ein.
Frühen Lebensjahren:
Albert Einstein wurde am 14. März 1879 in Ulm geboren, damals Teil des Königreichs Württtenmberg (heute Bundesland Baden-Württemberg). Seine Eltern waren Hermann Einstein (ein Verkäufer und Ingenieur) und Pauline Koch, die nicht aufmerksame aschkenasische Juden waren - eine erweiterte Gemeinschaft jiddischsprachiger Juden, die in Deutschland und Mitteleuropa lebten.
1880, als er erst sechs Wochen alt war, zog Einsteins Familie nach München, wo sein Vater und sein Onkel gründeten Elektrotechnische Fabrik J. Einstein & Cie (ein Unternehmen, das elektrische Geräte auf Gleichstrombasis herstellte). 1894 scheiterte die Firma seines Vaters und die Familie zog nach Italien, während Einstein in München blieb, um sein Studium abzuschließen.
Bildung:
1884 besuchte Albert Einstein eine katholische Grundschule, in der er bis 1887 blieb. Zu dieser Zeit wechselte er an das Luitpold Gymnasium, wo er seine fortgeschrittene Grund- und Sekundarschulausbildung erhielt. Sein Vater hatte gehofft, dass Einstein in seine Fußstapfen treten und in die Elektrotechnik eintreten würde, aber Einstein hatte Schwierigkeiten mit den Unterrichtsmethoden der Schule und zog es vor, selbstgesteuert zu lernen.
Während eines Besuchs bei seiner Familie in Italien 1894 schrieb Einstein einen kurzen Aufsatz mit dem Titel „Über die Untersuchung des Zustands des Äthers in einem Magnetfeld“ - seine erste wissenschaftliche Veröffentlichung. 1895 legte Einstein die Aufnahmeprüfung an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) ab.
Obwohl er nicht alle Anforderungen erfüllte, erhielt er außergewöhnliche Noten in Physik und Mathematik. Auf Anraten des Direktors des Polytechnikums Zürich besuchte er die argovische Kantonsschule in Aarau, Schweiz, um seine Sekundarschule zu beenden. Dies tat er zwischen 1895 und 1896, während er bei der Familie eines Professors wohnte.
Im September 1896 bestand er die Schweizer Abschlussprüfung mit überwiegend guten Noten, darunter Bestnoten in Physik und Mathematik. Obwohl er erst 17 Jahre alt war, schrieb er sich für das vierjährige Diplomprogramm für Mathematik und Physik am Polytechnikum Zürich ein. Dort lernte er seine erste und zukünftige Frau, Mileva Maric, kennen, eine serbische Staatsbürgerin und die einzige Frau unter den sechs Studenten der Abteilung Mathematik und Physik.
Die beiden würden 1904 heiraten und zwei Söhne haben, sich aber 1919 scheiden lassen, nachdem sie fünf Jahre getrennt gelebt hatten. Danach heiratete Einstein erneut, diesmal mit seiner Cousine Elsa Löwenthal - mit der er bis zu ihrem Tod 1939 verheiratet blieb. In dieser Zeit machte Einstein auch seine größten wissenschaftlichen Errungenschaften.
Wissenschaftliche Errungenschaften:
1900 erhielt Einstein das Lehrdiplom der Polytechnischen Fakultät Zürich. Nach seinem Abschluss suchte er fast zwei Jahre lang nach einer Lehrstelle und erwarb die Schweizer Staatsbürgerschaft. Schließlich sicherte sich Einsten mit Hilfe des Vaters seines Freundes und Kollegen Marcel Grossmann einen Arbeitsplatz beim Bundesamt für geistiges Eigentum in Bern. Im Jahr 1903 wurde seine Position dauerhaft.
Ein Großteil von Einsteins Arbeit im Patentamt bezog sich auf Fragen zur Übertragung elektrischer Signale und zur elektromechanischen Synchronisation der Zeit. Diese technischen Probleme tauchten wiederholt in Einsteins Gedankenexperimenten auf und führten ihn schließlich zu seinen radikalen Schlussfolgerungen über die Natur des Lichts und die grundlegende Verbindung zwischen Raum und Zeit.
Im Jahr 1900 veröffentlichte er einen Artikel mit dem Titel „Folgerungen aus den Capillaritätserscheinungen"(" Schlussfolgerungen aus den Kapillaritätsphänomenen "). In Anlehnung an Newtons Theorie der universellen Gravitation schlug er in diesem Artikel vor, dass die Theorie, dass die Wechselwirkungen zwischen allen Molekülen eine universelle Funktion der Entfernung sind, in Analogie zur inversen quadratischen Schwerkraft. Dies würde sich später als falsch herausstellen, aber die Veröffentlichung des Papiers im prestigeträchtigenAnnalen der Physik (Journal of Physics) erregte die Aufmerksamkeit der akademischen Welt.
Am 30. April 1905 schloss Einstein seine Diplomarbeit unter dem wachsamen Auge von Professor Alfred Kleiner, dem Professor für Experimentalphysik der Universität, ab. Seine Dissertation mit dem Titel „Eine neue Bestimmung molekularer Dimensionen“ brachte ihm einen Doktortitel an der Universität Zürich ein.
Im selben Jahr, in einer Explosion kreativer intellektueller Energie - was als seine bekannt ist "Annus mirabilis" (Wunderjahr) - Einstein veröffentlichte auch vier bahnbrechende Artikel über den photoelektrischen Effekt, die Brownsche Bewegung, die spezielle Relativitätstheorie und die Äquivalenz von Masse und Energie, die ihn auf die internationale Wissenschaftsgemeinschaft aufmerksam machen würden.
1908 wurde er zum Dozenten an die Universität Bern berufen. Im folgenden Jahr empfahl ihn Alfred Kleiner nach einem Vortrag über Elektrodynamik und das Relativitätsprinzip an der Universität Zürich der Fakultät für eine neu geschaffene Professur für theoretische Physik. Einstein wurde 1909 zum außerordentlichen Professor ernannt.
Im April 1911 wurde Einstein ordentlicher Professor an der Charles-Ferdinand-Universität in Praque, die zu dieser Zeit Teil des Österreichisch-Ungarischen Reiches war. Während seiner Zeit in Prag schrieb er 11 wissenschaftliche Arbeiten, von denen 5 sich mit Strahlungsmathematik und der Quantentheorie von Festkörpern befassten.
Im Juli 1912 kehrte er in die Schweiz und an die ETH Zürich zurück, wo er bis 1914 über analytische Mechanik und Thermodynamik unterrichtete. Während seiner Zeit an der ETH Zürich studierte er auch Kontinuumsmechanik sowie die molekulare Theorie der Wärme und das Problem der Gravitation. 1914 kehrte er nach Deutschland zurück und wurde zum Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik (1914–1932) und Professor an der Humboldt-Universität zu Berlin ernannt.
Er wurde bald Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften und war von 1916 bis 1918 Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 1920 wurde er ausländisches Mitglied der Königlich Niederländischen Akademie der Künste und Wissenschaften und 1921 zum ausländischen Mitglied der Royal Society (ForMemRS) gewählt.
Flüchtlingsstatus:
1933 besuchte Einstein zum dritten Mal die Vereinigten Staaten. Im Gegensatz zu früheren Besuchen, bei denen er Vortragsreihen und Tourneen durchführte, wusste er bei dieser Gelegenheit, dass er aufgrund des Aufstiegs des Nationalsozialismus unter Adolf Hitler nicht nach Deutschland zurückkehren konnte. Nach seiner dritten zweimonatigen Gastprofessur an amerikanischen Universitäten reisten er und seine Frau Elsa im März 1933 nach Antwerpen, Belgien.
Als sie bei ihrer Ankunft erfuhren, dass ihre Hütte von den Nazis überfallen und ihr persönliches Segelboot beschlagnahmt worden war, verzichtete Einstein auf seine deutsche Staatsbürgerschaft. Einen Monat später gehörten Einsteins Werke zu denjenigen, die von Nazi-Buchverbrennungen betroffen waren, und er wurde mit einem Kopfgeld von 5000 Dollar auf eine Liste der "Feinde des deutschen Regimes" gesetzt.
In dieser Zeit wurde Einstein Teil einer großen Gemeinschaft deutscher und jüdischer Ex-Patrioten in Belgien, von denen viele Wissenschaftler waren. In den ersten Monaten mietete er ein Haus in De Haan, Belgien, wo er lebte und arbeitete. Er widmete sich auch der Unterstützung jüdischer Wissenschaftler bei der Flucht vor Verfolgung und Mord durch die Nazis.
Im Juli 1933 ging er auf persönliche Einladung seines Freundes und Marineoffiziers Commander Oliver Locker-Lampson nach England. Dort traf er sich mit dem damaligen Abgeordneten Winston Churchill und dem ehemaligen Premierminister Lloyd George und bat sie, jüdische Wissenschaftler aus Deutschland herauszuholen. Einem Historiker zufolge schickte Churchill den Physiker Frederick Lindemann nach Deutschland, um jüdische Wissenschaftler aufzusuchen und an britischen Universitäten zu platzieren.
Einstein kontaktierte später Führer anderer Nationen, einschließlich des türkischen Premierministers Ismet Inönü, um um Hilfe bei der Umsiedlung jüdischer Bürger zu bitten, die vor den Nazis flohen. Im September 1933 schrieb er an Inönü und bat um die Vermittlung arbeitsloser deutsch-jüdischer Wissenschaftler. Infolge von Einsteins Brief kamen insgesamt über 1.000 jüdische Einladungen in die Türkei.
Obwohl Locker-Lamspon das britische Parlament aufforderte, die Staatsbürgerschaft auf Einstein auszudehnen, scheiterten seine Bemühungen und Einstein nahm ein früheres Angebot des Princeton Institute for Advanced Study in New Jersey an, ein ansässiger Gelehrter zu werden. Im Oktober 1933 kam Einstein in die USA und übernahm die Position.
Zu dieser Zeit hatten die meisten amerikanischen Universitäten nur minimale oder keine jüdischen Fakultäten oder Studenten, da die Anzahl der Juden, die sich einschreiben oder unterrichten konnten, begrenzt war. Diese würden bis 1940 auslaufen, blieben jedoch ein Hindernis für amerikanisch-jüdische Wissenschaftler, sich voll am akademischen Leben zu beteiligen und eine Universitätsausbildung zu erhalten.
1935 beantragte Einstein die dauerhafte Staatsbürgerschaft in den USA, die ihm 1940 verliehen wurde. Er blieb in den USA und blieb bis zu seinem Tod im Jahr 1955 Mitglied des Institute for Advanced Study. Während dieser Zeit versuchte Einstein, eine Staatsbürgerschaft zu entwickeln einheitliche Feldtheorie und die akzeptierte Interpretation der Quantenphysik zu widerlegen, beide erfolglos.
Das Manhattan-Projekt:
Während des Zweiten Weltkriegs spielte Einstein eine wichtige Rolle bei der Schaffung des Manhattan-Projekts - der Entwicklung der Atombombe. Dieses Projekt begann, nachdem Einstein 1939 von einer Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung des ungarischen Physikers Leó Szilárd angesprochen wurde. Nachdem er ihre Warnungen vor einem Atomwaffenprogramm der Nazis gehört hatte, schrieb er einen Brief an den damaligen Präsidenten Roosevelt und warnte ihn vor der extremen Gefahr einer solchen Waffe in Nazi-Händen.
Obwohl Einstein ein Pazifist war, der nie über die Idee nachgedacht hatte, die Kernphysik für die Entwicklung einer Waffe einzusetzen, war er besorgt darüber, dass die Nazis eine solche Waffe besaßen. Als solche betrachteten er und Szilárd zusammen mit anderen Flüchtlingen wie Edward Teller und Eugene Wigner „es als ihre Verantwortung, die Amerikaner auf die Möglichkeit aufmerksam zu machen, dass deutsche Wissenschaftler den Wettlauf um den Bau einer Atombombe gewinnen könnten, und Hitler zu warnen sei mehr als bereit, auf eine solche Waffe zurückzugreifen. “
Laut den Historikern Sarah J. Diehl und James Clay Moltz war der Brief "wohl der Hauptanreiz für die Annahme ernsthafter Untersuchungen von Atomwaffen durch die USA am Vorabend des US-Eintritts in den Zweiten Weltkrieg". Zusätzlich zu dem Brief nutzte Einstein seine Verbindungen zur belgischen Königsfamilie und zur belgischen Königinmutter, um mit einem persönlichen Gesandten Zugang zum Oval Office des Weißen Hauses zu erhalten, wo er sich mit Roosevelt traf, um die Gefahr persönlich zu besprechen.
Als Ergebnis von Einsteins Brief und seinen Treffen mit Roosevelt initiierten die USA das Manhattan-Projekt und mobilisierten alle notwendigen Ressourcen, um die Atombombe zu erforschen, zu bauen und zu testen. Bis 1945 gewannen die Alliierten diesen Aspekt des Wettrüstens, da es Deutschland nie gelungen war, eine eigene Atomwaffe herzustellen.
Einstein, ein gründlicher Pazifist, bedauerte später zutiefst sein Engagement für die Entwicklung von Atomwaffen. Wie er 1954 (ein Jahr vor seinem Tod) zu seinem Freund Linus Pauling sagte: „Ich habe einen großen Fehler in meinem Leben gemacht - als ich den Brief an Präsident Roosevelt unterschrieb, in dem empfohlen wurde, Atombomben herzustellen; aber es gab eine Rechtfertigung - die Gefahr, dass die Deutschen sie machen würden. “
Relativitätstheorie:
Obwohl Einstein im Laufe der Jahre viele bedeutende Erfolge erzielt hat und weithin für seinen Beitrag zur Gründung des Manhattan-Projekts bekannt ist, ist seine berühmteste Theorie die, die durch die einfache Gleichung dargestellt wird E = mc² (wo E. ist Energie, m ist Masse und c ist die Lichtgeschwindigkeit). Diese Theorie würde Jahrhunderte wissenschaftlichen Denkens und Orthodoxien auf den Kopf stellen.
Aber natürlich entwickelte Einstein diese Theorie nicht im luftleeren Raum, und der Weg, der ihn zu dem Schluss führte, dass Zeit und Raum relativ zum Beobachter waren, war lang und kurvenreich. Einsteins mögliche Relativitätshypothese war größtenteils ein Versuch, Newtons Gesetze der Mechanik mit den Gesetzen des Elektromagnetismus in Einklang zu bringen (wie durch Maxwells Gleichungen und das Lorentz-Kraftgesetz charakterisiert).
Seit einiger Zeit haben sich Wissenschaftler mit den Inkonsistenzen zwischen diesen beiden Bereichen auseinandergesetzt, die sich auch in der Newtonschen Physik widerspiegeln. Während Isaac Newton die Idee eines absoluten Raums und einer absoluten Zeit unterschrieben hatte, hielt er sich auch an Galileos Relativitätsprinzip - das besagt: "Zwei Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit und Richtung zueinander bewegen, erzielen für alle mechanischen Experimente die gleichen Ergebnisse."
Ab 1905, als Einstein seine wegweisende Arbeit veröffentlichte “Zur Elektrodynamik bewegter Körper„Der Arbeitskonsens unter Wissenschaftlern war, dass Licht, das sich durch ein sich bewegendes Medium bewegt, vom Medium mitgerissen wird. Dies bedeutete wiederum, dass die gemessene Lichtgeschwindigkeit eine einfache Summe seiner Geschwindigkeit sein würde durch das Medium plus die Geschwindigkeit von dieses Medium.
Diese Theorie besagte auch, dass der Raum mit einem „leuchtenden Äther“ gefüllt war, einem hypothetischen Medium, von dem angenommen wurde, dass es für die Ausbreitung von Licht im gesamten Universum notwendig ist. Entsprechend würde dieser Äther entweder von sich bewegender Materie gezogen oder in diese transportiert. Dieser Konsens führte jedoch zu zahlreichen theoretischen Problemen, die zu Einsteins Zeiten ungelöst geblieben waren.
Zum einen hatten Wissenschaftler keinen absoluten Bewegungszustand gefunden, was darauf hindeutete, dass das Relativitätsprinzip der Bewegung (d. H. Nur das) relativ Bewegung ist beobachtbar und es gibt keinen absoluten Ruhezustand) war gültig. Zweitens gab es auch das anhaltende Problem der „Sternabberation“, ein Phänomen, bei dem die scheinbare Bewegung von Himmelskörpern um ihre Position von der Geschwindigkeit des Beobachters abhing.
Darüber hinaus zeigten Tests zur Lichtgeschwindigkeit in Wasser (Fizeau-Experiment), dass Licht, das sich durch ein sich bewegendes Medium bewegt, vom Medium mitgerissen wird, jedoch nicht annähernd so stark wie erwartet. Dies unterstützte andere Experimente - wie Fresnels Hypothese des partiellen Ätherwiderstands und die Experimente von Sir George Stokes -, die darauf hinwiesen, dass der Äther entweder teilweise oder vollständig von der Materie mitgeführt wird.
Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie war bahnbrechend, da er argumentierte, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsreferenzrahmen gleich ist, und die Idee einführte, dass große Änderungen auftreten, wenn sich Dinge nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dazu gehört der Zeit-Raum-Rahmen eines sich bewegenden Körpers, der sich zu verlangsamen und in Bewegungsrichtung zusammenzuziehen scheint, wenn er im Rahmen des Betrachters gemessen wird.
Bekannt als Einsteins Theorie der Speziellen Relativitätstheorie, versöhnten seine Beobachtungen Maxwells Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Mechanik, vereinfachten die mathematischen Berechnungen, indem sie überflüssige Erklärungen anderer Wissenschaftler abschafften, und machten die Existenz eines Äthers völlig überflüssig. Es stimmte auch mit der direkt beobachteten Lichtgeschwindigkeit überein und berücksichtigte die beobachteten Aberrationen.
Natürlich stieß Einsteins Theorie auf gemischte Reaktionen der wissenschaftlichen Gemeinschaft und würde viele Jahre lang kontrovers bleiben. Mit seiner einen Gleichung, E = mc², Einstein hatte die Berechnungen, die notwendig waren, um zu verstehen, wie sich Licht ausbreitet, erheblich vereinfacht. Tatsächlich schlug er auch vor, dass Raum und Zeit (sowie Materie und Energie) lediglich unterschiedliche Ausdrücke derselben Sache seien.
Zwischen 1907 und 1911, als Einstein noch im Patentamt arbeitete, begann er zu überlegen, wie eine spezielle Relativitätstheorie auf Gravitationsfelder angewendet werden könnte - was als Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie bekannt werden würde. Dies begann mit einem Artikel mit dem Titel „Über das Relativitätsprinzip und die daraus gezogenen Schlussfolgerungen“, Veröffentlicht 1907, in dem er sich mit der Frage befasste, wie die Regel der speziellen Relativitätstheorie auch für die Beschleunigung gelten könnte.
Kurz gesagt, er argumentierte, dass der freie Fall wirklich eine Trägheitsbewegung ist; und für den Beobachter müssen die Regeln der speziellen Relativitätstheorie gelten. Dieses Argument ist auch als Äquivalenzprinzip bekannt, das besagt, dass die Gravitationsmasse mit der Trägheitsmasse identisch ist. In demselben Artikel sagte Einstein auch das Phänomen der Gravitationszeitdilatation voraus, bei dem zwei Beobachter, die sich in unterschiedlichen Abständen von einer Gravitationsmasse befinden, einen Unterschied in der Zeitdauer zwischen zwei Ereignissen wahrnehmen.
1911 veröffentlichte Einstein „Über den Einfluss der Gravitation auf die Lichtausbreitung“, Der den Artikel von 1907 erweiterte. In diesem Artikel sagte er voraus, dass eine Box mit einer Uhr, die nach oben beschleunigt, eine schnellere Zeit erfahren würde als eine Box, die still in einem unveränderlichen Gravitationsfeld saß. Er kommt zu dem Schluss, dass die Geschwindigkeit von Uhren von ihrer Position in einem Gravitationsfeld abhängt und dass der Unterschied in der Geschwindigkeit proportional zum Gravitationspotential in erster Näherung ist.
In demselben Artikel sagte er voraus, dass die Ablenkung des Lichts von der Masse des betroffenen Körpers abhängen würde. Dies erwies sich als besonders einflussreich, da er zum ersten Mal einen überprüfbaren Vorschlag gemacht hatte. 1919 forderte der deutsche Astronom Erwin Finlay-Freundlich Wissenschaftler auf der ganzen Welt auf, diese Theorie durch Messung der Lichtablenkung während der Sonnenfinsternis im Mai 1929 zu testen.
Einsteins Vorhersage wurde von Sir Arthur Eddington bestätigt, dessen Beobachtungen kurz danach bekannt gegeben wurden. Am 7. November 1919 wurde die Die Zeiten veröffentlichte die Ergebnisse unter der Überschrift: "Revolution in der Wissenschaft - Neue Theorie des Universums - Newtonsche Ideen gestürzt". Die Allgemeine Relativitätstheorie hat sich seitdem zu einem wesentlichen Werkzeug in der modernen Astrophysik entwickelt. Es bildet die Grundlage für das derzeitige Verständnis von Schwarzen Löchern, Regionen des Weltraums, in denen die Anziehungskraft der Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann.
Moderne Quantentheorie:
Einstein half auch dabei, die Theorie der Quantenmechanik voranzutreiben. In den 1910er Jahren erweiterte sich der Umfang dieser Wissenschaft auf viele verschiedene Systeme. Einstein trug zu diesen Entwicklungen bei, indem er die Quantentheorie ins Licht brachte und damit verschiedene thermodynamische Effekte berücksichtigte, die der klassischen Mechanik widersprachen.
In seiner Arbeit von 1905Aus heuristischer Sicht in Bezug auf die Erzeugung und Transformation von Licht“Postulierte er, dass Licht selbst aus lokalisierten Teilchen (d. H. Quanten) besteht. Diese Theorie würde von seinen Zeitgenossen - darunter Neils Bohr und Max Planck - abgelehnt, aber bis 1919 mit Experimenten bewiesen, die den photoelektrischen Effekt messen.
Dies hat er in seiner Arbeit von 1908 weiter ausgeführt: „Die Entwicklung unserer Ansichten über die Zusammensetzung und Essenz der Strahlung“, Wo er zeigte, dass die Energiequanten von Max Planck genau definierte Impulse haben und in gewisser Hinsicht als unabhängige, punktförmige Teilchen wirken müssen Photon Konzept und inspirierte den Begriff der Welle-Teilchen-Dualität (d. h. Licht, das sich sowohl als Teilchen als auch als Welle verhält) in der Quantenmechanik.
In seiner Arbeit von 1907Plancks Strahlungstheorie und die Theorie der spezifischen Wärme„Einstein schlug ein Materiemodell vor, bei dem jedes Atom in einer Gitterstruktur ein unabhängiger harmonischer Oszillator ist, der in gleich beabstandeten, quantisierten Zuständen existiert. Er schlug diese Theorie vor, weil es ein besonders klarer Beweis dafür war, dass die Quantenmechanik das spezifische Wärmeproblem in der klassischen Mechanik lösen kann.
1917 veröffentlichte Einstein einen Artikel mit dem Titel „Zur Quantentheorie der StrahlungDies schlug die Möglichkeit einer stimulierten Emission vor, den physikalischen Prozess, der die Mikrowellenverstärkung ermöglicht, und den Laser. Diese Arbeit hatte einen enormen Einfluss auf die spätere Entwicklung der Quantenmechanik, da sie als erste Arbeit zeigte, dass die Statistik der Atomübergänge einfache Gesetze hatte.
Diese Arbeit sollte Erwin Schrödingers Artikel von 1926 inspirieren: „Quantisierung als Eigenwertproblem“. In diesem Artikel veröffentlichte er seine mittlerweile berühmte Schrödingers Gleichung, in der er beschreibt, wie sich der Quantenzustand eines Quantensystems mit der Zeit ändert. Dieses Papier wurde allgemein als eine der wichtigsten Errungenschaften des 20. Jahrhunderts gefeiert und löste eine Revolution in den meisten Bereichen der Quantenmechanik sowie in der gesamten Physik und Chemie aus.
Interessanterweise würde Einstein mit der Zeit mit der Theorie der Quantenmechanik, die er mitgestaltete, unzufrieden sein und das Gefühl haben, dass sie ein Gefühl von Chaos und Zufälligkeit in den Wissenschaften hervorruft. Als Antwort darauf machte er sein berühmtes Zitat: „Gott spielt nicht mit Würfeln“ und kehrte zum Studium der Quantenphänomene zurück.
Dies veranlasste ihn, das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon (EPR-Paradoxon) vorzuschlagen, das nach Einstien und seinen Mitarbeitern - Boris Podolisky und Nathan Rosen - benannt wurde. In ihrem Artikel von 1935 mit dem Titel „Kann die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Realität als vollständig angesehen werden?“ Behaupteten sie, dass die Quantenverschränkung die lokale realistische Sichtweise der Kausalität verletzte - Einstein bezeichnete sie als „gespenstische Fernwirkung“.
Dabei behaupteten sie, dass die Wellenfunktion der Quantenmechanik keine vollständige Beschreibung der physikalischen Realität lieferte, ein wichtiges Paradoxon, das wichtige Auswirkungen auf die Interpretation der Quantenmechanik hätte. Während sich das EPR-Paradoxon nach Einsteins Tod als falsch herausstellte, trug es zu einem Feld bei, das er mitgestaltete, versuchte aber später, es bis zum Ende seiner Tage zu widerlegen.
Kosmologische Konstante und schwarze Löcher:
1917 wandte Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie an, um die Struktur des Universums als Ganzes zu modellieren. Obwohl er die Idee eines Universums bevorzugte, das ewig und unveränderlich war, stimmte dies nicht mit seinen Relativitätstheorien überein, die voraussagten, dass sich das Universum entweder in einem Expansions- oder einem Kontraktionszustand befand.
Um dies anzugehen, führte Einstein ein neues Konzept in die Theorie ein, das als kosmologische Konstante (dargestellt durch ein Lambda) bekannt ist. Ziel war es, die Auswirkungen der Schwerkraft zu korrigieren und dem gesamten System zu ermöglichen, eine ewige, statische Sphäre zu bleiben. 1929 bestätigte Edwin Hubble jedoch, dass sich das Universum ausdehnt. Nach dem Besuch des Mount Wilson Observatory mit Hubble verwarf Einstein die kosmologische Konstante offiziell.
Das Konzept wurde jedoch Ende 2013 überarbeitet, als ein zuvor unentdecktes Manuskript von Einstein (mit dem Titel „Über das kosmologische Problem") wurde entdeckt. In diesem Manuskript schlug Einstein eine Überarbeitung des Modells vor, bei der die Konstante für die Schaffung neuer Materie verantwortlich war, als sich das Universum ausdehnte - und so sicherstellte, dass sich die durchschnittliche Dichte des Universums nie änderte.
Dies steht im Einklang mit dem inzwischen veralteten Steady-State-Modell der Kosmologie (später im Jahr 1949 vorgeschlagen) und dem heutigen modernen Verständnis der Dunklen Energie. Im Wesentlichen würde das, was Einstein in vielen seiner Biografien als seinen „größten Fehler“ bezeichnete, irgendwann neu bewertet und als Teil eines größeren Mysteriums des Universums betrachtet werden - der Existenz unsichtbarer Masse und Energie, die das kosmologische Gleichgewicht aufrechterhält.
1915, wenige Monate nachdem Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte, fand der deutsche Physiker und Astronom Karl Schwarzschild eine Lösung für die Einstein-Feldgleichungen, die das Gravitationsfeld eines Punktes und einer sphärischen Masse beschrieben. Diese Lösung, die jetzt als Schwarzschild-Radius bezeichnet wird, beschreibt einen Punkt, an dem die Masse einer Kugel so komprimiert ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit von der Oberfläche der Lichtgeschwindigkeit entspricht.
Mit der Zeit kamen andere Physiker unabhängig zu denselben Schlussfolgerungen. Der englische Astrophysiker Arthur Eddington kommentierte 1924, wie Einsteins Theorie es uns ermöglicht, zu große Dichten für sichtbare Sterne auszuschließen, und behauptete, sie würden „so viel Krümmung der Raum-Zeit-Metrik erzeugen, dass sich der Raum um den Stern herum schließen und uns verlassen würde draußen (dh nirgendwo). "
1931 berechnete der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar unter Verwendung der Speziellen Relativitätstheorie, dass ein nicht rotierender Körper elektronendegenerierter Materie oberhalb einer bestimmten Grenzmasse in sich zusammenbrechen würde. 1939 stimmten Robert Oppenheimer und andere der Analyse von Chandrasekhar zu und behaupteten, dass Neutronensterne über einer vorgeschriebenen Grenze in Schwarze Löcher kollabieren würden, und kamen zu dem Schluss, dass wahrscheinlich kein physikalisches Gesetz eingreifen und zumindest einige Sterne daran hindern würde, in Schwarze Löcher zu kollabieren.
Oppenheimer und seine Co-Autoren interpretierten die Singularität an der Grenze des Schwarzschild-Radius als Hinweis darauf, dass dies die Grenze einer Blase war, in der die Zeit stehen blieb. Für den Außenbeobachter würden sie die Oberfläche des Sterns zum Zeitpunkt des Zusammenbruchs in der Zeit eingefroren sehen, aber ein unfehlbarer Beobachter würde eine ganz andere Erfahrung machen.
Sonstige Leistungen:
Einstein revolutionierte nicht nur unser Verständnis von Zeit, Raum, Bewegung und Schwerkraft mit seinen Theorien der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie, sondern leistete auch zahlreiche andere Beiträge auf dem Gebiet der Physik. Tatsächlich veröffentlichte Einstein Hunderte von Büchern und Artikeln in seinem Leben sowie mehr als 300 wissenschaftliche und 150 nichtwissenschaftliche Artikel.
Am 5. Dezember 2014 veröffentlichten Universitäten und Archive auf der ganzen Welt offiziell Einsteins gesammelte Papiere, die mehr als 30.000 einzigartige Dokumente enthielten. Zum Beispiel zwei Artikel, die 1902 und 1903 veröffentlicht wurden - “Kinetische Theorie des thermischen Gleichgewichts und des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik" und "Eine Theorie der Grundlagen der Thermodynamik”- befasste sich mit dem Thema Thermodynamik und Brownsche Bewegung.
Per Definition besagt die Brownsche Bewegung, dass sich eine kleine Menge von Partikeln, die ohne Vorzugsrichtung schwingen, schließlich ausbreitet, um das gesamte Medium zu füllen. Aus statistischer Sicht ging Einstein davon aus, dass die kinetische Energie oszillierender Partikel in einem Medium größeren Partikeln verliehen werden könnte, die wiederum unter dem Mikroskop beobachtet werden könnten - was die Existenz von Atomen unterschiedlicher Größe beweist.
Diese Papiere waren die Grundlage für das Papier von 1905 über die Brownsche Bewegung, das zeigte, dass es als fester Beweis dafür ausgelegt werden kann, dass Moleküle existieren. Diese Analyse wurde später vom französischen Physiker Jean-Baptiste Perrin verifiziert, und Einstein erhielt 1926 den Nobelpreis für Physik. Seine Arbeit begründete die physikalische Theorie der Brownschen Bewegung und beendete die Skepsis gegenüber der Existenz von Atomen und Molekülen als tatsächliche physikalische Einheiten .
Nach seinen Forschungen zur Allgemeinen Relativitätstheorie unternahm Einstein eine Reihe von Versuchen, seine geometrische Gravitationstheorie zu verallgemeinern, um den Elektromagnetismus als einen weiteren Aspekt einer einzelnen Einheit einzubeziehen. 1950 beschrieb er seine "einheitliche Feldtheorie" in einem Artikel mit dem Titel "Zur verallgemeinerten Gravitationstheorie“, Der seinen Versuch beschreibt, alle fundamentalen Kräfte des Universums in einem Rahmen aufzulösen.
Obwohl er weiterhin für seine Arbeit gelobt wurde, wurde Einstein in seiner Forschung zunehmend isoliert, und seine Bemühungen waren letztendlich erfolglos. Einsteins Traum, andere Gesetze der Physik mit der Schwerkraft zu vereinen, hält jedoch bis heute an und prägt die Bemühungen zur Entwicklung einer Theorie von Allem (ToE) - insbesondere der Stringtheorie, bei der geometrische Felder in einer einheitlichen quantenmechanischen Umgebung entstehen.
Seine Arbeit mit Podolsky und Rosen, in der Hoffnung, das Konzept der Quantenverschränkungen zu widerlegen, veranlasste Einstein und seine Kollegen auch, ein Modell eines Wurmlochs vorzuschlagen. Mit Schwarzschilds Theorie über Schwarze Löcher und dem Versuch, Elementarteilchen mit Ladung als Lösung für Gravitationsfeldgleichungen zu modellieren, beschrieb er eine Brücke zwischen zwei Raumflecken.
Wenn ein Ende des Wurmlochs positiv geladen wäre, wäre das andere Ende negativ geladen. Diese Eigenschaften ließen Einstein glauben, dass Paare von Partikeln und Antiteilchen verwickelt werden könnten, ohne die Relativitätsgesetze zu verletzen. Dieses Konzept hat in den letzten Jahren viel Arbeit gekostet, da Wissenschaftler erfolgreich ein magnetisches Wurmloch in einem Labor erstellt haben.
Und 1926 erfanden Einstein und sein ehemaliger Schüler Leó Szilárd gemeinsam den Einstein-Kühlschrank, ein Gerät ohne bewegliche Teile, das sich nur auf die Absorption von Wärme stützte, um seinen Inhalt zu kühlen. Im November 1930 erhielten sie ein Patent für ihr Design. Ihre Bemühungen wurden jedoch bald durch die Depression, die Erfindung des Freon und den Erwerb ihrer Patente durch das schwedische Unternehmen Electrolux untergraben.
Versuche, die Technologie wiederzubeleben, begannen in den 90er und 2000er Jahren, als Studententeams von Georgia Tech und der Oxford University versuchten, eine eigene Version des Einstein-Kühlschranks zu bauen. Aufgrund der nachgewiesenen Verbindung von Freon zum Ozonabbau und des Wunsches, unsere Auswirkungen auf die Umwelt durch weniger Stromverbrauch zu verringern, wird das Design als umweltfreundliche Alternative und nützliches Gerät für die Entwicklungsländer angesehen.
Tod und Vermächtnis:
Am 17. April 1955 erlitt Albert Einstein innere Blutungen, die durch den Bruch eines abdominalen Aortenaneurysmas verursacht wurden, das er sieben Jahre zuvor operiert hatte. Er nahm den Entwurf einer Rede, die er für einen Fernsehauftritt zum siebten Jahrestag des Staates Israel vorbereitete, mit ins Krankenhaus, aber er lebte nicht lange genug, um ihn zu beenden.
Einstein lehnte eine Operation ab und sagte: „Ich möchte gehen, wann ich will. Es ist geschmacklos, das Leben künstlich zu verlängern. Ich habe meinen Teil getan, es ist Zeit zu gehen. Ich werde es elegant machen. “ Er starb am nächsten Morgen im Alter von 76 Jahren im Princeton Hospital, nachdem er bis kurz vor dem Ende weitergearbeitet hatte.
Während der Autopsie entfernte der Pathologe des Princeton Hospital (Thomas Stoltz Harvey) Einsteins Gehirn zur Konservierung, allerdings ohne die Erlaubnis seiner Familie. Laut Harvey hatte er dies in der Hoffnung getan, dass zukünftige Generationen von Neurowissenschaftlern die Ursache von Einsteins Genie entdecken könnten. Einsteins Überreste wurden eingeäschert und seine Asche an einem unbekannten Ort verstreut.
Für seine lebenslangen Erfolge erhielt Einstein unzählige Auszeichnungen, sowohl zu Lebzeiten als auch posthum. In 1921, he was awarded the Nobel Prize in Physics for his explanation of the photoelectric effect, as his theory of relativity was still considered somewhat controversial. In 1925, the Royal Society awarded him the Copley Medal, the oldest Royal Society medal still awarded.
In 1929, Max Planck presented Einstein with the Max Planck medal of the German Physical Society in Berlin, for extraordinary achievements in theoretical physics. In 1934 Einstein gave the Josiah Willard Gibbs lecture, an prestigious annual event where the American Mathematical Society awards a prize for achievements in the field of mathematics. In 1936, Einstein was awarded the Franklin Institute‘s Franklin Medal for his extensive work on relativity and the photoelectric effect.
In 1949, in honor of Einstein’s 70th birthday, the the Lewis and Rosa Strauss Memorial Fund established the Albert Einstein Award. Also known as the Albert Einstein Medal (because it is accompanied with a gold medal) this award was established to recognize high achievement in theoretical physics and the natural sciences.
Since his death, Einstein has been honored by having countless schools, buildings, and memorials named after him. The Luitpold Gymnasium, where he received his early education, was renamed the Albert Einstein Gymnasium in his honor. In August of 1955, four months after Einstein’s death, the 99th chemical element on the Periodic Table was named “einsteinium”.
Also in 1955, the Albert Einstein College of Medicine, a research-intensive not-for-profit, private, and nonsectarian medical school was founded in the Morris Park neighborhood of the Bronx in New York City. Between 1965 and 1978, the US Postal Service issued a series of commemorative stamps known as the Prominent American Series. Einstein was honored with a 8¢ stamp in 1966, the second year of the series.
Similar stamps were issued by the state of Israel in 1956 (a year after his death) and the Soviet Union in 1973. In 1973, an inner main belt asteroid was discovered, which was named 2001 Einstein in his honor. In 1977, the Albert Einstein Society was founded in Bern, Switzerland. Since 1979, they began issuing the Albert Einstein Medal, an annual award presented to people who have “rendered outstanding services” in connection with Einstein.
In 1979, the National Academy of Sciences commissioned the Albert Einstein Memorial on Constitution Avenue in central Washington, D.C. The bronze statue depicts Einstein seated with manuscript papers in hand. In 1990, his name was added to the Walhalla temple for “laudable and distinguished Germans”, which is located in Donaustauf in Bavaria.
In Potsdam, Germany, the Albert Einstein Science Park was constructed on Telegrafenberg hill. The best known building in the park is the Einstein Tower, an astrophysical observatory that was built to perform checks of Einstein’s theory of General Relativity, which has a bust of Einstein at the entrance.
In 1999 Time magazine named him the Person of the Century, ahead of Mahatma Gandhi and Franklin Roosevelt, among others. In the words of a biographer, “to the scientifically literate and the public at large, Einstein is synonymous with genius”. Also in 1999, an opinion poll of 100 leading physicists ranked Einstein the “greatest physicist ever”.
Also in 1999, a Gallup poll conducted recorded him as being the fourth most admired person of the 20th century in the U.S. – Mother Teresa, Martin Luther King, Jr. and John F. Kennedy ranked first through third.
The International Union of Pure and Applied Physics named 2005 the “World Year of Physics” in commemoration of the 100th anniversary of the publication of the “annus mirabilis” papers. In 2008, Einstein was inducted into the New Jersey Hall of Fame. And every year, the Chicago-based Albert Einstein Peace Prize Foundation issues the Albert Einstein Peace Prize, an award that comes with a bursary of $50,000.
Einstein has also been the subject of or inspiration for many novels, films, plays, and works of music. He is a favorite model for fictional representations of the mad scientist and the absent-minded professor, with depictions of these archetypes closely mirroring (and exaggerating) his expressive face and distinctive hairstyle.
Einstein’s contributions to the sciences are immeasurable. When he began his career, scientists were still struggling to reconcile how Newtonian mechanics applied to an ever-widening universe. But thanks to his theories, we would come to understand that there are no absolute frames of reference, and everything depends on the speed and position of the observer.
His work with the behavior of light would also help speed the revolution being made in quantum physics, where scientists began to understand the behavior of matter at the subatomic level. In so doing, Einstein helped to create the two pillars of modern science – Relativity, for dealing with objects on the macro scale; and quantum mechanics, which deals with things on the tiniest of scales.
But Einstein’s legacy goes far beyond what he advanced in his lifetime. In attempting to reconcile his personal beliefs in a universe that made sense with his scientific findings, he introduced a concept that would later become part of our current cosmological models (Dark Matter). These and other ideas would go on to be reconsidered after his death, thus proving that he was not only the greatest mind of his time, but perhaps one of the greatest minds that ever lived.
We have written many articles about Albert Einstein for Space Magazine. Here’s an article about the speed of light, and one about Why Einstein Will Never Be Wrong, and Einstein’s Theory of Relativity. And here’s are some famous Albert Einstein quotes.
Astronomy Cast also has several episodes about Einstein’s greatest theories, like Episode 235: Einstein, Episode 9: Einstein’s Theory of Special Relativity, Episode 280: Cosmological Constant, Episode 287: E=mc², and Episode 31: tring Theory, Time Travel, White Holes, Warp Speed, Multiple Dimensions, and Before the Big Bang
For more information, check out Albert Einstein’s biographical page at Biography.com and NobelPrize.org.
