Hundert Jahre seit Albert Einsteins Annus mirabilis
Teil 1
Von Peter Symonds
10. August 2005
aus dem Englischen (11. Juli 2005)
Dies ist der erste Teil einer vierteiligen Serie über Einsteins wissenschaftliche Arbeiten. Der zweite, dritte und vierte Teil folgen in den nächsten Tagen.
Teil 2 | Teil 3 | Teil 4Am 30. Juni vor 100 Jahren reichte Albert Einstein seine wissenschaftliche Arbeit "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" bei der renommierten deutschen Wissenschaftszeitschrift Annalen der Physik zur Veröffentlichung ein. Hinter dem unscheinbaren Titel verbarg sich eine Revolution des wissenschaftlichen Denkens. Die Arbeit entwickelte die spezielle Relativitätstheorie und revidierte damit die grundlegenden Vorstellungen von Raum und Zeit, die für mehr als 200 Jahre einen Teil des Fundaments der Physik gebildet hatten. Im Jahre 1915 wurde sie erweitert und zur allgemeinen Relativitätstheorie weiterentwickelt. Diese bleibt bis heute eine der beiden zentralen Säulen der modernen Physik.
Die Relativitätstheorie ist zwar Einsteins bekanntester Beitrag, doch er hat im Jahr 1905 noch vier weitere Arbeiten veröffentlicht. Jede von ihnen war ein Geniestreich mit weitem Einfluss. Die Resultate seiner ersten Arbeit vom März, die mit der orthodoxen Ansicht von Licht als Welle brachen, waren nicht weniger bedeutsam als seine Relativitätstheorie. Einsteins Annahme, dass sich Licht in der Form von Energieklumpen oder -quanten ausbreiten könne, bildete ein Schlüsselelement der Theorie, die sich bis Mitte der 1920er Jahre zur Quantentheorie entwickelte - der zweiten Säule der Physik.
Es ist bemerkenswert, dass diese bahnbrechenden, in einer Zeitspanne von sechs Monaten geschriebenen Arbeiten von einem unbekannten, 26-jährigen Physiker stammten, der als technischer Assistent beim Schweizer Patentamt in Bern angestellt war. Abgesehen von seinem eigenen engeren Kreis junger Freunde und Kollegen, arbeitete er in relativer Isolation, ohne Anleitung durch oder enge Zusammenarbeit mit einem führenden Physiker seiner Zeit. Im Rückblick auf diese bemerkenswerte Leistung staunen Wissenschaftler und Wissenschaftshistoriker über Einsteins Annus mirabilis - sein Wunderjahr. [*]
Die wissenschaftliche Umwälzung, die Einstein einleitete, hat nicht nur unser Verständnis der Natur verändert, von dem inneren Funktionieren des Atoms bis hin zum Wesen des Universums, sie hat auch den Weg für eine stattliche Reihe von Technologien geebnet. Kein Bereich der Chemie oder Physik blieb unberührt von der Quantenmechanik, die wesentlich ist für unser Verständnis der Elektronik und unerlässlich für das Design von Mikrochips, die hinter den schwindelerregenden Fortschritten in der Computer- und Kommunikationstechnologie stecken. Die Quantenmechanik ist ebenfalls grundlegend für die molekulare Chemie und somit für unser Wissen über die DNS und die Genetik, sowie für das expandierende Gebiet der Biotechnologie.
Die spezielle Relativitätstheorie sagte voraus, dass Masse in Energie umgewandelt werden könne und umgekehrt, und lieferte so den Schlüssel für das Verständnis der Kernenergie. Sie enthüllte das Geheimnis, woher die Energie der Sonne und anderer Sterne kommt und wie diese entstanden sind und sich entwickeln. Die allgemeine Relativitätstheorie hat unsere Sicht auf das Universum grundlegend verändert. Über ein Jahrzehnt bevor dies durch Beobachtungen bekräftigt wurde, legte die Theorie nahe, dass das Universum expandiert Sie legte den Grundstein für unser Verständnis, dass sich der Kosmos von einem anfänglichen "Urknall" ausgehend entwickelt hat.
Die Grundlagen der modernen Physik wurden von einer ganzen Generation von Physikern aufgestellt, zu denen Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born, Paul Dirac and Satyendranath Bose gehörten - um nur einige der prominentesten und begabtesten zu nennen. Viele von ihnen stützten sich, direkt oder indirekt, auf Einsteins Arbeiten aus dem Jahr 1905. Ein Jahrhundert später sind Physiker immer noch damit beschäftigt, die weitreichenden theoretischen Konsequenzen der Fortschritte aus jenem Jahr zu erarbeiten.
Auch wenn er ein geniales Individuum war, so kann Einstein nicht losgelöst von seiner Zeit verstanden werden. Ein Jahrhundert rapider industrieller Expansion in Europa und der Welt hatte den Charakter der Wissenschaft gründlich verändert. Der Kapitalismus bildete den Motor technischer Innovation, die wiederum neue wissenschaftliche Fragen aufwarf und neue Apparaturen für ihre Lösung lieferte. Die Wissenschaft wurde aus einer Beschäftigung finanziell unabhängiger Herren, die sie im 18. Jahrhundert war, zu einem anerkannten Beruf. Laut einer Schätzung wuchs die Gesamtzahl der Wissenschaftler weltweit von lediglich 1.000 im Jahr 1800 auf 100.000 im Jahr 1900.
Die Auswirkungen der Wissenschaft und Technologie waren in vielen Bereichen des täglichen Lebens evident - vom Telegraphen, dem elektrischen Licht und Radio bis hin zu medizinischen Fortschritten - was ein allgemeines Interesse an wissenschaftlichen Errungenschaften und Optimismus bezüglich der Fähigkeit des Menschen, das Universum zu verstehen, hervorrief. Derartige Einstellungen wurden in der populären Presse, in Schulen und Hochschulen verbreitet. Ihre Wurzeln finden sich in den langwierigen Kämpfen gegen die Religion und den Aberglauben im 17. und 18. Jahrhundert, dem Zeitalter der Aufklärung.
Zur gleichen Zeit wurde der Kapitalismus von inneren Widersprüchen gequält, die im Weltkrieg von 1914 ausbrechen sollten. Die rapide wirtschaftliche Expansion in Europa und die Ausbreitung der Kolonialreiche in Übersee brachte die Großmächte in Konflikt miteinander. Militarismus und Hurrapatriotismus waren im Wachsen begriffen. Unter der scheinbar stabilen Oberfläche wirkten ebenfalls revolutionäre Strömungen - die sich in der russischen Revolution von 1905 am schärfsten ausdrückten. Diese tiefen Spannungen spiegelten sich in dem Bestehen einer sozialistischen Massenbewegung, die Wissenschaft und Technologie als entscheidende Faktoren für die rationale Umgestaltung der Gesellschaft sah.
Im gleichen Jahr, in dem Einstein seine bahnbrechenden wissenschaftlichen Arbeiten schrieb, stand ein anderer 26-jähriger Mann mit genialen Zügen, Lew Dawidowitsch Bronstein, besser bekannt unter seinem Pseudonym Leo Trotzki, im Zentrum der revolutionären Erschütterungen in Russland, als Vorsitzender des Petrograder Sowjets der Arbeiterdeputierten. Trotzki zog die politischen Lehren dieser Erfahrungen in seiner Theorie der permanenten Revolution, die die wesentlichen strategischen Vorstellungen für die russische Oktoberrevolution von 1917 bereitstellte. Einstein und Trotzki wurden im gleichen Jahr geboren und, obgleich sie in hochgradig verschiedenen Gebieten arbeiteten, beide dazu getrieben, den vorher akzeptierten Rahmen zu verlassen und verblüffende theoretische Lösungen für neue und bisher unlösbare Probleme zu entwickeln. Auch wenn man die Parallele vielleicht als bemerkenswerten Zufall abtun könnte, so war sie mehr als das. Sie verweist auf das Ausmaß von Europas intellektueller, kultureller und politischer Gärung. [1]
Einsteins Jugendzeit
Einstein war in jeder Hinsicht ein Kind seiner Zeit. 1879 in Ulm geboren, wuchs er in München auf, wo sein Vater und sein Onkel eine elektrotechnische Fabrik betrieben. Von seinen Eltern, nicht praktizierenden Juden, nahm er die Liebe zu Literatur, Kultur und Musik auf. Er lernte Violine, die er sein ganzes Leben hindurch weiter spielte und mitnahm, wohin er reiste. Er entwickelte von früh auf ein Interesse an Wissenschaft und Mathematik, angespornt von seinem Onkel und seinem eigenen, begierigen Bücherstudium.
In der Schule entwickelte Einstein eine ausgeprägte Abneigung gegen das Auswendiglernen und die Schuldisziplin. Seine hartnäckige Selbständigkeit fand ihren ersten Ausdruck in einer frühen Phase der Religiosität - in Opposition zu seinen irreligiösen Eltern. Diese endete abrupt, wie er später erklärte, als er 12 Jahre alt war. Durch die Lektüre populärwissenschaftlicher Bücher kam er "bald zu der Überzeugung, dass vieles von den Erzählungen der Bibel nicht wahr sein konnte. Die Folge war eine geradezu fanatische Freigeisterei, verbunden mit dem Eindruck, dass die Jugend vom Staat mit Vorbedacht belogen wird; es war ein niederschmetternder Eindruck. Das Misstrauen gegen jede Art von Autorität erwuchs aus diesem Erlebnis, eine skeptische Einstellung gegen die Überzeugungen, welche in der jeweiligen sozialen Umwelt lebendig waren - eine Einstellung, die mich nie wieder verlassen hat, wenn sie auch später durch bessere Einsicht in die kausalen Zusammenhänge ihre ursprüngliche Schärfe verloren hat." [2]
Als seine Familie 1894 nach Italien zog, ging der sechzehnjährige Einstein in die Schweiz, um sich bei der angesehenen Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) zu bewerben, von der er schließlich 1896 angenommen wurde. Als Student schwänzte er Vorlesungen, die ihn nicht interessierten, folgte lieber seinen eigenen Neigungen und verbrachte anfangs viel Zeit im experimentellen Laboratorium. Seine entschlossene Unabhängigkeit bekamen viele seiner Lehrer in den falschen Hals. Ein in Rage geratener Professor Heinrich Friedrich Weber soll Einstein erklärt haben: "Sie sind ein gescheiter Junge, Einstein, ein ganz gescheiter Junge. Aber Sie haben einen großen Fehler: Sie lassen sich nichts sagen!" [3]
Einstein hatte einen engeren Freundeskreis, mit dem er leidenschaftlich die jüngsten Entwicklungen in der Physik wie auch in Philosophie und Kultur diskutierte. Dazu gehörten Marcel Grossmann, an den sich Einstein später zwecks mathematischer Hilfestellung bei der Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie wandte, und der Ingenieur Michele Angelo Besso, der ein lebenslanger enger Freund blieb. Einstein lernte auch Mileva Mariæ kennen und verliebte sich in die Kommilitonin, eine Serbin, die zur höheren Ausbildung in die relativ liberale Schweiz gekommen war. Sie war gerade einmal die fünfte Frau, die an der ETH im Fach Physik angenommen worden war.
Einstein schloss sein Diplom im Jahr 1900 ab. Seine Reputation für sture Selbständigkeit war zweifellos einer der Gründe, dass er keine Anstellung als Assistent an der ETH oder anderswo erhielt. Mit der Hilfe von Grossmann bekam er 1902 einen Posten am Berner Patentamt, und im folgenden Jahr heirateten er und Mileva. Seine Arbeit am Patentamt ließ ihm nicht nur genügend Zeit, sich seiner eigenen Forschung zu widmen, sondern sie erweckte auch eine lebenslange Faszination mit erfinderischen Gerätschaften und Experimenten. Hier gab er seiner außerordentlichen Fähigkeit, zum Wesentlichen eines wissenschaftlichen Problems vorzudringen, den Feinschliff.
Der Physiker und Kollege John Wheeler schrieb: "Jeden Morgen hatte er sein Kontingent an Patentanmeldungen zu bearbeiten. Zu dieser Zeit musste eine Patentanmeldung noch zusammen mit einem Prototyp eingereicht werden. Über den Anmeldungen und Modellen thronte ein Chef, ein freundlicher, ein strenger und ein weiser Mann. Er gab strikte Anweisungen: erklären Sie sehr kurz, wenn möglich in einem Satz, warum die Gerätschaft funktionieren wird oder warum nicht; warum die Anmeldung positiv beschieden oder abgelehnt werden sollte. Tag für Tag hatte Einstein aus den unterschiedlichsten Objekten, die der menschliche Erfindungsgeist zu schaffen vermag, das Fazit zu ziehen. Wer wüsste einen fabelhafteren Weg, um ein Gefühl dafür zu bekommen, was Physik ist und wie sie funktioniert?" [4]
Während seiner Anstellung im Berner Patentamt veröffentlichte Einstein seine ersten wissenschaftlichen Artikel und arbeitete an seiner Promotion, bis im Jahre 1905, wie er später schrieb, ein Sturm in seinem Kopf losbrach. [5] Um würdigen zu können, was Einstein quälte, muss man die Entwicklung der Physik des 19. Jahrhunderts einer Betrachtung unterziehen.
Die Errungenschaften der Physik im 19. Jahrhundert
Im Gegensatz zu anderen Zweigen der Wissenschaft wie der Biologie oder Geologie, die ihr Augenmerk auf die Vielfalt des Lebens oder der Strukturen der Erde richten, hat es die Physik mit den grundlegenderen, wesentlichen objektiven Gesetzen der Natur insgesamt zu tun: Wie and warum bewegen sich Dinge? Was sind Licht und Schall? Was ist die grundlegende Struktur der Materie? Die Wurzeln der Physik liegen im 16. und 17. Jahrhundert in dem umfassenden geistigen und politischen Konflikt der aufstrebenden Bourgeoisie gegen den Feudalismus und die Vorherrschaft der römisch-katholischen Kirche. Ohne eine Schlacht gegen religiöse Dogmen war keine Wissenschaft zu haben.
Friedrich Engels brachte es auf den Punkt: "Es war die größte Revolution, die die Erde bis dahin erlebt hatte. Auch die Naturwissenschaft lebte und webte in dieser Revolution, war revolutionär durch und durch, ging Hand in Hand mit der erwachenden modernen Philosophie der großen Italiener, und lieferte ihre Märtyrer auf die Scheiterhaufen und in die Gefängnisse. [...] Auch die Naturwissenschaft hatte damals ihre Unabhängigkeitserklärung, [...] des Kopernikus großes Werk, worin er, schüchtern zwar, nach 36-jährigem Zögern und sozusagen auf dem Totenbett, dem kirchlichen Aberglauben den Fehdehandschuh hinwarf." [6]
Mit seiner Ansicht, dass die Planetenbewegung durch die Annahme einer Drehung um die Sonne statt um die Erde einfacher erklärt werden könne, provozierte Nikolaus Kopernikus eine Untersuchung des Charakters der Bewegung als solcher. Galileo Galilei übernahm es, die offensichtlichen Einwände zu widerlegen. Wenn die Erde sich um die Sonne bewegt, warum gibt es dann keine Anzeichen ihrer Bewegung? Warum bleiben Objekte, die man in die Luft wirft, nicht hinter der Erdbewegung zurück? Und wodurch wurde die Erde überhaupt in Bewegung versetzt?
Die Antworten stellten die auf Aristoteles zurückgehende Annahme in Frage, dass Bewegung eine bewegende Kraft erfordere. Galileos Trägheitsgesetz, welches später von Isaac Newton weiterentwickelt wurde, stellte fest, dass Objekte einschließlich der Erde keine äußere Kraft für die Aufrechterhaltung ihrer Bewegung brauchen, sondern dass sie ihre einmal eingeschlagene Bewegung bei konstanter Geschwindigkeit beibehalten, es sei denn, sie werden durch Reibung oder Luftwiderstand verlangsamt. Folglich behalte die Erde ebenso wie alle Dinge, die sich auf ihr befinden, ihre gleichförmige Bewegung um die Sonne bei, da ihr keine Gegenkraft entgegenwirke.
Newtons Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1697 veröffentlicht, vereinte und erweiterte die Arbeiten von Kopernikus und Galileo sowie der Astronomen Tycho Brahe und Johannes Kepler. Er benannte drei Grundgesetze der Bewegung und entwickelte zu ihrer Anwendung, parallel zu Gottfried Wilhelm Leibniz, einen ganzen Zweig der Mathematik - die Differential- und Integralrechnung.
Anders als Galileo bestand Newton darauf, dass das Trägheitsgesetz nur für die geradlinige Bewegung gelte, nicht für die kreisförmige. Was zwang dann die Planeten, sich auf elliptischen Bahnen um die Sonne zu bewegen, wie Kepler es beschrieben hatte? Newton zog den Schluss, dass dieselbe Schwerkraft, die Objekte auf die Erde zu fallen nötigt, zwischen beliebigen Massen wirkt, einschließlich der Sonne und den Planeten. Auf der Grundlage dieses universellen Gravitationsgesetzes und der Bewegungsgesetze konnte er die Bahnen der Planeten erklären.
Newtons Errungenschaften waren unverzichtbare geistige Waffen für die Anstrengungen der materialistischen Philosophen der Aufklärungszeit, zu beweisen, dass die Natur erkennbaren, objektiven Gesetzen folge anstatt einem unerklärlichen göttlichen Willen. In Newtons System wurde Gott nicht länger benötigt, um die Bewegung der Planeten aufrecht zu erhalten, die man mit den Mitteln der mathematischen Analysis zudem in hoher Genauigkeit berechnen konnte. Newtons Vorbehalt, dass Gott das Planetensystem immerhin einmal in Bewegung gesetzt haben müsse, wurde später verworfen, als man die Ursprünge und Entwicklung des Sonnensystems, beginnend mit Kant, zu verstehen lernte.
Fußnoten:
[*] Zur Geschichte des Ausdrucks Annus mirabilis vgl. John Stachel (1998): Einsteins Annus mirabilis, Reinbek: Rowohlt, 2005 (rororo 60934), S. 27ff. — Anm. d. Ü.
1. Hierzu ausführlicher: David North, Ein Beitrag zur Neubewertung von Vermächtnis und Stellenwert Leo Trotzkis in der Geschichte des 20. Jahrhunderts (http://www.wsws.org/de/2001/jul2001/trot-j06.shtml), World Socialist Web Site, 6. Juli 2001
2. Albert Einstein (1946): Autobiographisches, in: Paul Arthur Schilpp (Hg.), Albert Einstein als Philosoph und Naturforscher, Braunschweig, 1979, S. 1. Zitiert nach: Albrecht Fölsing (1993): Albert Einstein. Eine Biographie, Frankfurt: Suhrkamp (stb 3087), 1999, S. 34f.
3. Carl Seelig (1960): Albert Einstein, Zürich: Europa Verlag, S. 48. Zitiert nach: Abraham Pais (1982): Raffiniert ist der Herrgott..., Braunschweig: Vieweg, 1986 (Neuauflage: Spektrum Akad. Verl., 2000), S. 43
4. John Archibald Wheeler (1991): Albert Einstein, in: Timothy Ferris (Hg.), World Treasury of Physics, Astronomy and Mathematics, Little Brown & Co., S. 568
5. Zitiert nach: John S. Rigden (2005): Einstein 1905. The Standard of Greatness, Harvard University Press, S. 2
6. Friedrich Engels (1925): Dialektik der Natur, MEW 20, Berlin 1962, S. 464-465
