Die Welt ohne Einsteins Entdeckungen

Die Welt ohne die Erkenntnisse von Einstein

Einstein hat seine Arbeiten als Grundlagenwissenschaftler geleistet. Er interessierte sich nicht primär für technische oder kommerzielle Anwendungen, sondern für Erkenntnisse über die Natur. Es ist durchaus typisch, dass gerade grundlegende Erkenntnisse zum Teil sehr rasch eine praktische Anwendung finden, obwohl dies nie das Hauptziel war.

Die Welt ohne Fernsehen

Durch die Erkenntnisse der Relativitätstheorie sehen wir heute im Fernseher ein scharfes Bild: In einem Fernseher werden Elektronen mit über zwanzig Tausend Volt beschleunigt. Laut Relativitätstheorie nimmt die Masse der Elektronen dabei messbar zu. Berücksichtigte man diese Massenzunahme nicht, so würden die Elektronen auf einem Bildschirm Abweichungen im Millimeterbereich zeigen. Die Folge: Alle Bilder wären verschwommen.

Die Welt ohne Atombombe und Atomstrom

1905 schreibt Einstein eine Arbeit über die Brown’sche Bewegung. Er legt damit eine Erklärung für die unregelmässige Bewegung von Teilchen die in Flüssigkeiten oder Gasen verteilt sind vor. Die Teilchen haben einen Radius von einem Tausendstel Millimeter oder weniger. Diese Theorie ist eine der wichtigsten Bestätigungen des Vorhandenseins von Molekülen. Moleküle bestehen aus mindestens zwei zusammen hängenden Atomen. Einstein beweist damit, dass Atome nicht nur eine theoretische Annahme sind – wie bisher oft angenommen –, sondern real existieren. In der Speziellen Relativitätstheorie wird er später beweisen, dass die Masse der Atome und deren Energie vollständig äquivalent sind (E = mc²). Er legt damit das theoretische Grundgerüst für die gesamte Atomphysik. Dass Masse und Energie wesensgleich sind, wird wohl am stärksten sichtbar in Atombomben, aber auch bei der Erzeugung von Atomstrom.

Die Welt ohne Kunststoff

Einstein kombiniert Techniken der klassischen Strömungslehre mit der Theorie der Diffusion (Transport durch regellose Bewegung). Es entsteht eine neue Methode zur Bestimmung der Molekülgrösse und der Avogadro’schen Zahl. Die Arbeit, die ebenfalls im Wunderjahr 1905 entsteht, gehört heute zu den meist zitierten Arbeiten in der Physik überhaupt. Ohne sie wäre die Welt zwischen Gas und Festkörper kein logisches einheitliches Gedankensystem: Kunststoffe wären nicht so gut wie heute, und viele Prozesse, bei denen Strömungen in Flüssigkeiten eine Rolle spielen (etwa in Chemie und Medizin), wären unverständlich geblieben.

Die Welt ohne GPS

Die satellitengestützte Ortsbestimmung auf der Erde GPS (Global Positioning System) nutzt Einsteins Spezielle Relativitätstheorie. Sie kommt ins Spiel, weil die Atomuhren, die an Bord von GPS-Satelliten um die Erde kreisen, auf Grund ihrer Geschwindigkeit (ca. 140.000 Kilometer pro Stunde) jeden Tag etwa sieben Mikrosekunden im Vergleich zu systemgleichen Uhren auf der Erde nachgehen. Dazu kommt aber noch der Einfluss der Erdgravitation. Atomuhren in einer Höhe von 20.000 Kilometern spüren die Gravitationskraft nur ein Viertel so stark wie Uhren auf der Erdoberfläche. Dadurch laufen die Uhren in den Satelliten 45 Mikrosekunden pro Tag schneller als die auf der Erde. Insgesamt ergibt sich also ein Unterschied von 38 Mikrosekunden pro Tag. Das erscheint wenig, umgerechnet nach Distanz würde ein GPS-System, das die Effekte der Relativitätstheorie nicht berücksichtigt, aber pro Tag eine Fehlangabe von 11 Kilometern anzeigen. Hinzu kommt auch noch, dass die Flugbahnen der Satelliten keine Kreise sind, das heisst, die Satelliten bewegen sich in einer Umlaufbahn, in der der Abstand zur Erdoberfläche und die Bahngeschwindigkeit nicht immer gleich sind. Alle Präzisions-GPS-Geräte, bei denen die Messgenauigkeit weniger als 30 Meter beträgt, müssen die Effekte der Speziellen Relativitätstheorie berücksichtigen.

Dieser Effekt wurde erstmals von Haefele und Keating 1971 an Bord eines Verkehrsflugzeuges genau gemessen. Die Passagiere werden sich etwas über die beiden Physiker und ihre Messaparaturen gewundert haben...

Die gemessenen Punkte auf der Linie "net effect" zeigen wie gut Relativitätsheorie bestätigt wurde.


Die Welt ohne Solarenergie und ohne Digitalkamera

Ebenfalls 1905 schreibt Einstein einen Artikel, in dem er den photoelektrischen Effekt erklärt. Diese Arbeit bringt ihm im November 1921 nicht nur den Nobelpreis, sondern sie bildet auch die Grundlage für die Entwicklung aller Geräte, in denen Licht in Elektrizität umgewandelt wird — von der Digitalkamera bis zur Solaranlage. Ohne Einsteins Annahme, dass Licht ein Strom einzelner Lichtquanten ist, wäre Strom durch Sonnenlicht heute undenkbar.

Die Welt ohne Laser

In jedem CD-Player und in jeder Scannerkasse ist er eingebaut, aus medizinischen Geräten ist er nicht mehr wegzudenken: der Laserstrahl. Ein Laserstrahl bündelt einfarbiges Licht und zwar nach Prinzipien, die Einstein 1924 erkannte. Zusammen mit Satyendranath Bose entdeckte er folgendes Phänomen: Wenn man ein Lichtteilchen mit einem Überschuss an Energie auf eine grosse Menge Atome schickt, senden all diese Atome ein neues Lichtteilchen mit der exakt gleichen Richtung und Frequenz wie das ursprüngliche Lichtteilchen aus. Ohne diese fundamentale Idee der "stimulierten Emission" gäbe es den Laser nicht.

Die Welt ohne Quantencomputer

Quantencomputer, tausend Mal leistungsfähiger als heutige Rechner, gibt es noch nicht. Aber Physiker träumen schon davon, dass sie die Welt im 21. Jahrhundert revolutionieren werden. Auch bei dieser technischen Revolution spielt Einstein eine Schlüsselrolle: 1935 hat er zusammen mit seinen beiden jungen Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen eine hoch interessante Arbeit veröffentlicht. Darin werfen sie die Frage auf, ob die quantenmechanische Beschreibung der Wirklichkeit vollständig sei. Die drei Autoren beschreiben ein Gedankenexperiment, in dem Teilchen manchmal zwei oder mehrere Zustände gleichzeitig haben können. Diese Zustände lassen sich aber nicht gleichzeitig beobachten. Das nach den drei Autoren benannte EPR-Paradoxon hat sich zu einem ausserordentlich fruchtbaren Forschungsgebiet entwickelt: Quantencomputer nutzen die Mehrzahl der Zustände, in denen ein Teilchen sich befinden kann. Aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit sind Quantencomputer ideal geeignet, Nachrichten zu verschlüsseln oder geheime Codes zu knacken.

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