Einsteins Arbeiten von 1905 Siegmund Brandt Kolloquium im Fachbereich Physik der Universität Siegen Zusammenfassung Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein Arbeiten zu drei fundamentalen Themen. Mit seiner Lichtquantenhypothese stellte er die These von einer atomistischen Struktur der Strahlung auf, mit seiner Theorie der Brownschen Bewegung schuf er ein Instrument zur Demonstration der atomistischen Struktur der Materie und mit seiner speziellen Relativitätstheorie analysierte er die Stuktur von Raum und Zeit und entdeckte den Zusammenhang zwischen Masse und Energie. Im Vortrag werden diese Arbeiten anhand der Originaltexte diskutiert. Die Diskussion ist eingebettet in eine Schilderung von Einsteins Leben. I. Kindheit, Jugend, Studium und erste Berufsjahre Ulm 1879 Blick auf Ulm 1870. Das gotische Münster, das heute den höchsten Kirchturm der Welt besitzt, wurde erst in den Jahren 1880 – 1890 vollendet. In diesem Haus in Ulm wurde Einstein am 24. März 1879 geboren. Sein Vater betrieb in Ulm ein Bettengeschäft, das aber nicht florierte. München 1880 - 1895 1880 zogen die Einsteins nach München, wo Vater und Onkel einen Handel mit elektrotechnischen Geräten begannen und diese später auch produzierten. Als sie die Firma nach Italien verlegten, sollte Einstein die Schule in München beenden, folgte aber bald der Familie. Als Fünfjähriger mit Schwester Maja Luitpold-Gymnanium Trotz gegenteiliger Behauptungen war Einstein ein ausgezeichneter Schüler Aarau 1895 - 1896 Als Sechzehnjähriger ohne Schulabschluß versuchte Einstein die Aufnahmeprüfung am Polytechnikum in Zürich. Er erzielte gute Ergebnisse in Mathematik und Naturwissenschaften. Der Direktor riet ihm aber zu einem weiteren Jahr Schulbesuch und einer schweizerischen „Matura“. Einstein in der Klasse von Direktor Winteler, bei dessen Familie er auch wohnte Mit seiner Maturitätsklasse Die Kantonalschule in Aarau Das Polytechnikum in Zürich und einige Lehrer Einsteins Im Alter von 17 Jahren begann Einstein mit dem Studium am Polytechnikum. Die spätere Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) hatte seinerzeit bereits ausgezeichnete Lehrkräfte, besaß aber noch kein Promotionsrecht. Das Physikalische Institut des Polytechnikums Hermann Minkowski (1864 - 1909) Adolf Hurwitz (1859 - 1919) Heinrich Friedrich Weber (1843 - 1912) Student in Zürich 1896 - 1900 Einstein zog oft das Selbststudium dem Vorlesungsbesuch vor. Er arbeitete die Werke von Mach, Boltzmann, Maxwell, Helmholtz, Hertz und Kirchhoff durch. Für die Prüfungen in Mathematik verließ er sich auf die akribisch geführten Mitschriften seine Freundes Marcel Grossmann. Im Juli 1900 erwarb er das Diplom als „Fachlehrer“. Einstein 1898 Mileva Maric, seine spätere Frau Einstein Gustav Geissler Marcel Grossmann Eugen Grossmann Einsteins Versuche, eine Assistentenstelle in der Schweiz oder anderswo zu erhalten, schlugen fehl. Er arbeitete an verschieden Schulen als Vertretungslehrer. Auf Empfehlung von Grossmanns Vater erhielt er 1902 eine Anstellung am Patentamt in Bern. Das Haus Kramgasse 49, in dem die Einsteins während eines Teils der Berner Zeit in zwei Zimmern wohnten Bern 1902 - 1909 Mit zwei Freunden traf sich Einstein regelmäßig zu Diskussionen über Philosophie, Literatur und Wissenschaft. Sie nannten sich scherzhaft „Akademie Olympia“. 1948 erinnerte sich Einstein: „Wir führten unsere glückliche Akademie, die schließlich weniger kindisch war als die ehrwürdigen, die ich später von innen kennen lernte.“ Mit Mileva und Sohn Hans Albert (geb. 1904) Conrad Habicht Maurice Solovine Einstein Patentamt in Bern Das 1888 gegründete „Eidgenössische Amt für geistiges Eigentum“ Einstein fand seine Arbeit am Patentamt interessant und war darin erfolgreich. Er begann als „technischer Experte 3. Klasse“ mit 3500 SFr Jahresgehalt. 1906 wurde er zum „technischen Experten 2. Klasse“ mit 4500 SFr befördert. Als er 1909 außerordentlicher Professor an der Universität Zürich wurde, konnte er verlangen, dort kein geringeres Gehalt zu bekommen. Die Arbeiten von 1905 18. März: Arbeit zur Lichtquantenhypothese bei den Annalen der Physik eingegangen. 30. April: Doktorarbeit „Über eine neue Bestimmung der Molekulardimensionen“ für die Universität Zürich abgeschlossen (angenommen als Dissertation im Juli, in den Annalen veröffentlicht Anfang 1906). 11. Mai: Arbeit zur Brownschen Bewegung bei den Annalen eingegangen. 30. Juni: Erste Arbeit zur speziellen Relativitätstheorie bei den Annalen eingegangen. 27 September: Zweite Arbeit zur speziellen Relativitätstheorie bei den Annalen eingegangen. (Sie enthält die Formel E = mc 2 ). 19. Dezember: Zweite Arbeit zur Brownschen Bewegung bei den Annalen der eingegangen. II. Lichtquantenhypothese (Postulat der atomistischen Struktur der Strahlung) Vergleich der Strahlungsgesetze Wien uλ = 8πhcλ−5 exp{− hc } k λT T = 2000 K hc } − 1]−1 Planck uλ = 8πhcλ [exp{ kλT −5 Rayleigh-Jeans uλ = 8π kT 4 λ Vor Plancks Arbeiten waren die Konstanten nicht bekannt. T = 2000 K Max Planck (1858 - 1947) Nobelpreis 1918 Willy Wien (1864-1928) Nobelpreis 1911 Lord Rayleigh (William Strutt) (1842-1919) Nobelpreis 1904 Plancksches Gesetz beschreibt den gesamten Wellenlängenbereich. Wiensches Gesetz ist gute Näherung bei kurzen Wellenlängen. Rayleigh-Jeans-Gesetz ist gute Näherung bei großen Wellenlängen. Lichtquanten-Arbeit, Einleitung Schwierigkeit und Ausweg • Planck hatte das thermische Gleichgewicht zwischen Strahlung und „Resonatoren“, den Bestandteilen der Wand betrachtet. • Einstein stellte fest, daß die Resonatoren zwar die erwartete mittlere Energie besaßen, nicht jedoch die richtige Energieverteilung. Solche mit niedriger Frequenz hatten unvernünftig hohe Energien. Viel später schrieb Einstein dazu: „Planck fand tatsächlich eine Begründung, deren Unvollkommenheiten zunächst verborgen blieben, welch letzterer Umstand ein wahres Glück war für die Entwicklung der Physik.“ • Einstein benutzte daher das Wiensche Strahlungsgesetz, das sich auch mit Hilfe des Planckschen Wirkungsquantums formulieren ließ. (Planck hatte das schon 1899 getan.) • Er verglich die Entropie von Strahlung eines gegebenen Frequenzintervalls in einem festen Volumen bei fester Temperatur mit der eines Gases in einem Volumen gleicher Größe bei gleicher Temperatur und stellte eine erstaunliche Ähnlichkeit fest. • Seine Argumentation wurde so völlig unabhängig von den materiellen Resonatoren, denen Planck die Eigenschaft zugeschrieben hatte, Strahlung nur in Quanten emittieren oder absorbieren zu können. Die Quantisierung wurde eine Eigenschaft der Strahlung selbst. Energiequanten Einsteins Bezeichnungen: E=h í R Gaskonstante N Avogadrosche Zahl í Frequenz â hN/R=h/k Photoelektrischer Effekt Aus Lenards Arbeit von 1902 Philipp Lenard (1862 -1947) Nobelpreis 1904 Strom (Ordinate) gegen Gegenspannung (Abszisse) Ue=h í–W Millikan Robert A. Millikan (1868 - 1953) Nobelpreis 1923 1916 gelingt Millikan nach Entwicklung geeigneter Photokathoden eine Präzisionsmessung des Planckschen Wirkungsquantums mit Hilfe der Einsteinschen Formel zum Photoeffekt. Zu deren theoretischer Begründung äußert er sich jedoch skeptisch bis ablehnend. Millikans Ergebnis. Aufgetragen ist die Schwellgegenspannung (Ordinate) gegen die Frequenz (Abszisse). Das Bild zeigt die von Einstein vorhergesagte Gerade. III. Brownsche Bewegung (Zum Nachweis der atomistischen Struktur der Materie) Robert Brown Robert Brown, ein schottischer Botaniker, fand 1827 bei der Bobachtung von Pollen in Wasser unter dem Mikroskop, daß sich die Pollenkörner in ständiger unregelmäßiger Bewegung befinden. Der Effekt war schon früher beobachtet, aber für eine Eigenschaft der belebten Materie gehalten worden. Robert Brown (1773-1858) Brown stellte aber fest, daß er ebenso bei unbelebten Substanzen, z.B. Steinstaub auftritt. Interpretation: Wassermoleküle stoßen dauernd an das im Mikroskop sichtbare Teilchen und führen so zu dessen Bewegung. Brownsche Bewegung von Milchtröpfchen in Wasser (Videoaufnahme durch Browns Mikroskop) Browns Mikroskop Arbeit zur Brownschen Bewegung, Einleitung Das Problem Van ´t Hoff hatte aus Experimenten von Pfeffer geschlossen, daß die kinetische Wärmetheorie auch für große Moleküle in Lösung gilt. Ihre mittlere kinetische Energie ist Ekin = 12 m v 2 = 32 kT Wilhelm Pfeffer (1845 - 1920) (m Masse, v Geschwindigkeit, k Boltzmann-Konstante, T abs. Temperatur) Wenn diese Beziehung auch für suspendierte makroskopische Teilchen galt, so hätte sich aus der Beobachtung von deren Geschwindigkeit die Boltzmann-Konstante k bzw. die Avogadro-Konstante N bestimmen lassen müssen. (Es gilt k = R / N. Dabei ist R die Gaskonstante, die wohlbekannt war.) Hätte man den erwarteten Wert erhalten, so wäre erwiesen gewesen, daß die Brownsche Bewegung durch Stöße der Flüssigkeitsmoleküle bewirkt wird. Die beobachtete Geschwindigkeit war jedoch um Größenordnungen zu klein. Jacobus Henricus van ´t Hoff (1852 - 1911) Nobelpreis 1901 Zwar vermutete man als Erklärung, daß die wahre Geschwindigkeit nicht meßbar sei, weil durch die sehr häufigen Stöße dauernd auch Richtungsänderungen eintreten. Man kannte aber keine andere quantitative Analyse der Brownschen Bewegung. Lösungsmethode Einstein schrieb die Bewegungsgleichung für ein kugelförmiges Brownsches Teilchen hin: Dabei ist m die Masse des Teilchens, r sein Ortsvektor, F(t) die fluktuierende durch Stöße bewirkte Kraft und R = 6 ðçñ der Koeffizient, der die Reibung ausdrückt, die die Kugel beim Durchgang durch die Flüssigkeit erleidet. (ç ist die Zähigkeit der Flüssigkeit, ñ der Teilchenradius.) Skalare Multiplikation mit dem Ortsvektor liefert Und nach weiterer Umformung Bei Integration über einen längeren Zeitraum verschwindet die rechte Seite wegen der unregelmäßigen Richtung der Kraft. Die die Stöße bewirkende Kraft ist damit eliminiert. Jetzt kann Einstein den Mittelwert des Quadrats des Abstandes berechnen, den ein Brownsches Teilchen in der Ebene senkrecht zur Sichtlinie des Beobachters in diesem Zeitraum von seinem Ausgangspunkt erreicht. Ergebnis Mittelwert des Quadrats des Abstandes vom Ausgangsort nach der Zeit t: r 2 = λ2x + λ2y = 2λ2x = 2kT t 3πηρ Einsteins Bezeichnungen: R Gaskonstante N Avogadrosche Zahl k Zähigkeit (bei uns: ç) P Kugelradius (bei uns: ñ) Smoluchowski Smuluchowski, Professor im damals österreichischen Lemberg, begann 1906 eine ausführliche Arbeit in den Annalen der Physik mit den Worten: Die viel umstrittene Frage nach dem Wesen [der Brownschen Bewegung] ist neuerdings durch zwei theoretische Arbeiten von Einstein wieder in Anregung gebracht worden. Die Ergebnisse derselben stimmen nun vollkommen mit denjenigen überein, welche ich vor mehreren Jahren in Verfolgung eines ganz verschiedenen Gedankenganges erhalten hatte ... Obwohl es mir bisher nicht möglich war, eine experimentelle Prüfung ... vorzunehmen, was ich ursprünglich zu tun beabsichtigte, habe ich mich doch entschlossen, jene Überlegungen nunmehr zu veröffentlichen, ... Marian Ritter von Smolan Smoluchowski (1872 -1917) Perrin entwickelte eine Methode zur Herstellung von Kügelchen gleicher Masse. Perrin Damit gelangen ihm Präzisionsmessungen der Avogadroschen Zahl. Wie Einstein hatte er eine „barometrische Höhenformel“ gefunden, die er zur Analyse von Experimenten benutzte (links). Zur Bestimmung der Avogadroschen Zahl mit der Brownschen Bewegung benutzte Perrin Einsteins Formel. Unten eine seiner Zeichnungen nach Beobachtungen im Mikroskop. Jean Baptiste Perrin (1870 - 1942) Nobelpreis 1926 IV. Spezielle Relativitätstheorie (Zur Struktur von Raum und Zeit) Abraham Pais, Einsteins unübertroffener Biograph, schreibt: „Einstein was driven to special relativity mostly by aesthetic arguments, that is by arguments of simplicity. The same magnificent obsession would stay with him for the rest of his life. It was to lead to his greatest achievement, general relativity, and to his noble failure, unified field theory.” Arbeit zur SRT, Einleitung Einsteins Analyse von Raum und Zeit Einsteins Grundannahme ist: Der Betrag c der Lichtgeschwindigkeit ist in jedem Bezugssystem gleich. Messung von Orten und Zeiten: • Man denke sich in jedem Bezugssystem ein Gerüst aus starren Maßstäben und gleichartigen Uhren. Die Uhren werden mit Lichtsignalen synchronisiert. • Bei Bewegung eines Teilchens wird sein Ort an den Maßstäben, die Zeit an einer Uhr an diesem Ort abgelesen. • Die Länge einer Strecke wird durch Bestimmung der Endpunkte zur gleichen Zeit gemessen. • Die Länge eines Zeitintervalls wird mit einer Uhr an festem Ort gemessen. Gerüst aus Maßstäben und Uhren Relativitätsprinzip, Längenkontraktion, Zeitdilatation Ein Stab, der in dem System, in dem er selbst ruht, die Länge Äx hat, besitzt in einem System, das sich gegenüber dem Ruhsystem mit der Geschwindigkeit v in Stabrichtung bewegt, die kleinere Länge ∆x′ = ∆x / γ Die Größe ( γ = 1/ 1− v2 / c2 ) heißt heute Lorentzfaktor. Im Ruhsystem einer Uhr wird das Zeitintervall Ät gemessen. Das gleiche Intervall, gemessen in einem mit der Geschwindigkeit v dagegen bewegten System, ist größer: ∆t = γ∆t Beziehungen dieser Art waren vor Einsteins Arbeit bekannt, ihre Erklärung aber unbefriedigend. Lorentz erklärte die Längenkontraktion als Stauchung der Materie beim Durchgang durch den Äther. Anwendung auf die Elektrodynamik Aus dem Relativitätsprinzip entwickelte Einstein Transformationsgleichungen (jetzt Lorentz-Transformation genannt) für Orte, Zeiten und Feldstärken und Strahlungsenergien. Die elektrischen und magnetischen Feldstärken verloren dabei ihre Eigenständigkeit. Bei der Transformation verändern sich beide. (Es handelt sich nicht um zwei Vektoren, sondern um einen Tensor.) Einstein fand, daß die Maxwellsche Elektrodynamik dem Relativitätsprinzip genügt, nicht aber die Newtonsche Mechanik. E- und B-Feld einer Punktladung. Links im Ruhsystem der Ladung. Rechts in einem dagegen mit 90% der Lichtgeschwindigkeit in 1-Richtung bewegten System. Anwendung auf die Mechanik Einstein betrachtet, die Energie, die ein geladenes Teilchen aus einem elektrischen Feld aufnimmt, um die Geschwindigkeit v zu erhalten. Sie muß gleich der kinetischen Energie des Teilchens sein. Er erhält: Ekin = mc 2 (γ − 1) E= Einsteins Bezeichnungen: W kinetische Energie (bei uns: Ekin ) ì Masse (bei uns: m) V Lichtgeschwindigkeit (bei uns: c) Addiert man hierzu Einsteins berühmteste Formel E =m c² für die der Ruhmasse entsprechende Energie, so erhält man für die Gesamtenergie 2 2 tot mit der geschwindigkeitsabhängigen Masse E = γmc = Mc M = γm Die Formel E = m c² wird aber erst drei Monate später mitgeteilt. V. E = m c² (Äquivalenz von Energie und Masse) Das Papier, in dem die berühmteste aller Formeln mitgeteilt wurde, ohne sie hinzuschreiben Arbeit zu E = m c² Ruhsystem des Körpers L/2 E º x L/2 Dagegen bewegtes System î E = m c² ∆E ∆m = 2 c E = mc 2 In der Tat wird in Kernreaktionen, z.B. beim radioaktiven Zerfall, Energie auf Kosten von Massenverkleinerung freigesetzt. Quantitativ wurde das erstmals 1920 von Wilhelm Lenz nachgewiesen. Einsteins eigene Beschreibung von Leben und Arbeit in Bern Einstein schrieb 1906 oder 1907 an Alfred Schneider, mit dem er in den Jahren davor musiziert hatte: „Mir geht es gut; ich bin ehrwürdiger eidgenössischer Tintenscheisser mit ordentlichem Gehalt. Daneben reite ich auf meinem alten mathematisch physikalischen Steckenpferd und fege die Geige – beides in den engen Grenzen, welche mir mein 2jähriger Bubi für derlei überflüssige Dinge gesteckt hat.“ VI. Einstein nach 1905 Bern – Zürich – Prag – Zürich 1906 Entwicklung einer Quantentheorie der spezifischen Wärme. Nernst versprach sich davon (zu Recht) eine theoretische Begründung seines im Jahr zuvor aufgestellten dritten Hauptsatzes der Wärmelehre. 1907 Beginn der Arbeiten an der allgemeinen Relativitätstheorie. 1908 Habilitation an der Universität Bern. 1909 Erster Auftritt auf einer Tagung (in Salzburg), Ehrendoktor der Universität Genf., a.o.Prof. an der Universität Zürich. 1910 Geburt des Sohnes Eduard 1911 O. Prof. an der Deutschen Universität in Prag. Assistent dort Otto Stern. 1912 O. Prof. an der ETH 1913 Planck und Nernst besuchen Einstein in Zürich, um ihn für Berlin zu gewinnen. Max Planck Walther Nernst (1864 - 1941) Nobelpreis 1920 In Prag 1912 Berlin 1914 - 1932 1914 O. Prof. an der Universität Berlin ohne Lehrverpflichtung. Anstellung an der Preußischen Akademie der Wissenschaften 1915 Abschluß der Allgemeinen Relativitätstheorie 1916 Neue Ableitung des Planckschen Strahlungsgesetzes (A- und B-Koeffizienten). 1919 Scheidung von Mileva, Einstein heiratet seine Cousine Elsa. Britische Expedition weist Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne nach. 1922 Einstein erhält den Nobelpreis. 1924 Bose-Einstein-Statistik, BoseEinstein-Kondensation. (Einsteins letzte überragende Arbeit. Nobelpreis für experimentellen Nachweis der BE-Kondensation wurde 2001 verliehen.) Deutscher Professor Arbeitszimmer in der Wohnung Haberlandstr. 5 Während der Berliner Zeit war Einstein • angestelltes Mitglied der Preußischen Akademie, • Professor an der Universität, • Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik. Er war für die Physikalisch-Technische Reichsanstalt tätig und war für mehrere Jahre Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 1919 stiftete die Deutsche Physikalische Gesellschaft die MaxPlanck-Medaille. Planck erhielt zwei: eine für ihn selbst, die andere zur Weitergabe an Einstein. Zum Zeitpunkt der Machtübernahme Hitlers war Einstein in den USA. Er hatte 1932 einen Ruf an das Institute for Advanced Studies in Princeton (im halbjährigen Wechsel mit Berlin geplant) angenommen. Im März 1933 reiste er nach Europa zurück. Bei den neuen Machthabern und einigen Kollegen in der Akademie gab es erhebliche Aufregung über Presseberichte von Äußerungen Einsteins zur Behandlung von Menschenrechtsfragen durch die neue Regierung. Daraufhin schrieb Einstein noch von Bord des Schiffes am 28. März an die Akademie: „Die in Deutschland gegenwärtig herrschenden Zustände veranlassen mich, meine Stellung bei der Preußischen Akademie hiemit niederzulegen. Die Akademie hat mir 19 Jahre lang die Möglichkeit gegeben, mich frei von jeder beruflichen Verpflichtung wissenschaftlicher Arbeit zu widmen. Ich weiß, in wie hohem Maße ich ihr zu Dank verpflichtet bin. Ungern scheide ich aus ihrem Kreis auch der Anregungen und schönen menschlichen Beziehungen wegen, die ich während dieser langen Zeit als ihr Mitglied genoß und stets hoch schätzte. Die durch meine Stellung bedingte Abhängigkeit von der Preußischen Regierung empfinde ich aber unter den gegenwärtigen Umständen als untragbar.“ Paul Langevin schrieb: “Ein solches Ereignis kann nur mit einer Verlegung des Vatikans in die Neue Welt verglichen werden. Der Papst der Physik zieht um. Die Vereinigten Staaten werden das Zentrum der Naturwissenschaften.” Kurt Mendelssohn, Doktorand von Nernst, später Professor in Oxford, schrieb über die Vertreibung von Wissenschaftler aus Deutschland: “Far from destroying the spirit of German scholarship, the Nazis had spread it all over the world. Only Germany was to be the looser”. Einstein verläßt (auf dem Bild nur das Physikalische Institut in) Berlin 1933 Princeton 1932 - 1955 1932 Einstein nimmt Professur am Institute for Advanced Studies an. 1933 Einstein legt Ämter in Berlin nieder, kehrt nicht nach Deutschland zurück. 1939 Einstein schreibt Brief an Roosevelt über mögliche militärische Nutzung der Kernenergie. 1952 Einstein lehnt Berufung zum Präsidenten des Staates Israel ab. 1955, 18. April: Einstein stirbt in Princeton. Das letzte Bild: Im März 1955 vor seinem Haus 112 Mercer Street Literatur Albert Einstein, Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, Annalen der Physik 17 (1905) 132 Albert Einstein, Über die von der molekulartheortischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen, Annalen der Physik 17 (1905) 549 Albert Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik 17 (1905) 891 Albert Einstein, Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?, Annalen der Physik 17 (1905) 891 Christa Kirsten und Hans-Jürgen Treder, Albert Einstein in Berlin 1913 – 1933, Berlin 1979 Abraham Pais, ‘Subtle is the Lord …’ – The Science and the Life of Albert Einstein, Oxford 1986 Ze’ev Rosenkranz, Albert Einstein – Privat und ganz persönlich, Bern 2004 Carl Seelig, Albert Einstein – Leben und Werk eines Genies unserer Zeit, Zürich 1968 Kenji Sugimoto, Albert Einstein – Die kommentierte Bilddokumentation, Gräfelding 1987 Einstein Archives Online, http://www.alberteinstein.info/