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Einstein – der Lebensweg
Das annus mirabilis 1905
Herausgeber: Jürgen Renn
Titel/Title: Albert Einstein – Ingenieur des Universums
Herausgegeben: 2005 / Seite: 92
Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA
Nachdruck mit freundlicher Genehmigung.
Einstein veröffentlicht im Jahr 1905 insgesamt 26 wissenschaftliche Beiträge, eine erstaunliche Anzahl, auch wenn die meisten davon nur kurze Literaturberichte sind, durch die er sich ein kleines Zubrot verdient. Drei seiner Arbeiten jedoch, über die Lichtquantenhypothese, die Brownsche Bewegung und die Elektrodynamik bewegter Körper, lösen jeweils eine wissenschaftliche Revolution aus. In einer weiteren Arbeit dieses Jahres leitet er einen Zusammenhang zwischen Energie und Masse eines Körpers ab, der seinen Ausdruck in der wohl berühmtesten Formel der Welt, E = mc2, findet. Durch diese Beiträge und ihre Nachwirkungen wandelt sich das Verständnis von Raum und Zeit, von Materie und Strahlung grundlegend. Das Jahr 1905 markiert die Wende von der klassischen zur modernen Physik. Bis heute ist die Entwicklung der Physik durch das Spannungsverhältnis zwischen Quanten- und Relativitätstheorie gekennzeichnet. Beide haben ihre Wurzeln in Einsteins revolutionären Arbeiten.
Wie ist es möglich, auf so vielen, noch dazu scheinbar unzusammenhängenden Gebieten wissenschaftliche Durchbrüche mit so weit reichenden Folgen zu erzielen? Eine Antwort auf diese Frage muss sowohl die Geschichte des Wissens als auch Einsteins besondere Perspektive auf dieses Wissen berücksichtigen. Die inneren Spannungen der klassischen Physik, deren Wissen sich der junge Einstein aneignet, spitzen sich um die Jahrhundertwende in Problemen zu, die an den Grenzen ihrer Teilgebiete Mechanik, Elektrodynamik und Thermodynamik liegen. Einsteins revolutionärer Durchbruch verdankt sich seiner Neuinterpretation der Lösungen, die die Meister der klassischen Physik für diese Grenzprobleme gefunden haben.
Seine Perspektive auf die Grenzprobleme ist zunächst von seiner Suche nach einer begrifflichen Einheit der Physik geprägt, die er auf der Grundlage atomistischer Vorstellungen zu finden hofft. Um den Anwendungsbereich der Atomhypothese auszudehnen und Belege für die Realität von Atomen zu finden, entwickelt Einstein ausgehend von Boltzmanns kinetischer Gastheorie zwischen 1902 und 1904 die statistische Mechanik. Aus ihr ergeben sich Hinweise auf beobachtbare Schwankungserscheinungen, die ihn schließlich auf die Idee bringen, die seit langem bekannte Brownsche Bewegung als eine solche Schwankungserscheinung zu interpretieren. Auf der Grundlage der statistischen Mechanik kann er ferner zeigen, dass die plancksche Formel für die Energieverteilung der Wärmestrahlung nicht mit der klassischen Vorstellung der Strahlung als Wellenerscheinung in einem kontinuierlichen Äther verträglich ist. Durch die Annahme atomistischer Lichtquanten gelingt Einstein eine neue Interpretation der planckschen Formel, ebenso wie eine Erklärung von Eigentümlichkeiten in der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie.
Versuche, mithilfe einer atomistischen Theorie der Strahlung dem Relativitätsprinzip der Mechanik auch in der Elektrodynamik Geltung zu verschaffen, scheitern dagegen. Einstein unternimmt solche Versuche, um die Wechselwirkung zwischen einem Magneten und einem Leiter unabhängig von der Annahme erklären zu können, welcher von beiden sich gegenüber dem Äther bewegt. Aus der Zwangslage heraus, die Gültigkeit der lorentzschen Elektrodynamik akzeptieren zu müssen, ohne ihr in der Annahme eines Äthers folgen zu können, prägt Einstein die neuen Begriffe von Raum und Zeit der Relativitätstheorie.
Einstein – His Life's Path
The annus mirabilis 1905
Publisher: Jürgen Renn
Title: Albert Einstein – Chief Engineer of the Universe
Published: 2005 / Page: 92
Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA
Reproduced with kind permission.
In 1905 Einstein publishes a total of twenty-six scientific articles, including his dissertation on molecular dimensions. This is an astonishing amount of work, even if the majority are just brief reviews of other works with which he earns a little extra income. Three of his own works, though, about the light quantum hypothesis, the Brownian motion and the electrodynamics of moving bodies each unleash a scientific revolution. In yet another work this year, he derives a relationship between the energy and mass of a body. Its representation is arguably the most famous equation in the world, E = mc2. These works and their repercussions dramatically alter the understanding of space and time, of matter and radiation. The year 1905 marks the transition from classical to modern physics. Today’s modern physics is still characterized by the tension between quantum theory and relativity theory. Both have their genesis in Einstein’s revolutionary works.
How is it possible to achieve so many scientific breakthroughs with such far reaching consequences in so many different fields, fields that, at first glance, have very little to do with one another? An answer to this question must take into account both the history of science as well as Einstein’s exceptional perspective on this body of knowledge. The tension inherent in the classical physics that Einstein learns in his early studies come to a head at the turn of the century. They emerge in problems lying at the borderlines between mechanics, electrodynamics and thermodynamics. Einstein’s breakthrough comes with his novel interpretation of the solutions proposed by the masters of classical physics for these borderline problems.
His perspective on these borderline problems is initially characterized by his search for a conceptual unity in physics, which he hopes to find on the basis of an atomic theory. In order to broaden the scope of the atomic hypothesis and find proof for the reality of atoms, Einstein develops statistical mechanics based on Boltzmann’s kinetic theory of gases between 1902 and 1904. This provides clues about observable fluctuations and eventually leads Einstein to interpret the long-known Brownian motion as such a fluctuation phenomenon. Based on considerations of statistical physics, he can further show that Planck’s formula for thermal radiation’s energy distribution is not concordant with the classical idea of radiation as a wave phenomena in a continuous aether. With the assumption of atomic light quanta Einstein manages to find new, albeit only partial interpretation of Planck’s formula as well as explain peculiarities in the interaction of radiation and matter.
In contrast, the attempts to transfer the relativity principle of mechanics to electrodynamics with the aid of an atomic theory of radiation go awry. Einstein undertakes such attempts, among other reasons, to explain the interaction between a magnet and a coil, independent of assuming which of the two moves in relation to the aether. Einstein is caught between having to accept the validity of Lorentz’s electrodynamics and being unable to accept its assumption of aether. As an outcome of this predicament, Einstein formulates new conceptions of space and time in his theory of relativity.
