Bist du einer dieser Menschen, der sofort Gänsehaut bekommt, wenn er sich an seinen Physikunterricht in der Schule zurückerinnert? Machen deine Kinder heute dasselbe durch wie du damals und du bist frustriert, weil du ihnen nicht weiterhelfen kannst? Das lässt sich ändern.

Wir glauben häufig, dass eine Materie zu schwierig ist oder wir sie nicht erlernen können. Wir erlegen uns dabei selbst Grenzen auf. Im Bereich der Physik ist der Mensch allerdings schon oft genug über seine Grenzen hinausgewachsen. Denk nur einmal darüber nach, wie viele bekannte Physiker für die Menschheit bedeutend waren. Denken wir zum Beispiel einmal an Albert Einstein. Der deutsche Physiker hat mit hunderten Artikeln zur Wissenschaft im Laufe seines Lebens beigetragen. Seine Arbeit wird bis heute von jeder Generation aufs Neue studiert.
Vielleicht inspiriert dich das, auch einen Physikkurs zu belegen, sei es, um in der Schule besser zu werden oder aus Interesse am Thema.
Wenn du die Bedeutung von Einstein für die Menschheit genauer verstehen möchtest, dann lies weiter.

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Die Relativitätstheorie und ihre Bedeutung

Wenn wir den Namen Einstein hören, dann denken wir dabei normalerweise an die Relativitätstheorie, eine seiner größten Entdeckungen. Was sagt diese Theorie aber eigentlich aus?

Uhren im All und auf der Erde ticken anders.
Bei Einstein fällt uns sofort die Relativitätstheorie ein. Quelle: Unsplash.

Die Zeit ist relativ

Damit du die Theorie besser verstehst, stell dir das Konzept Zeit vor. Wir denken üblicherweise, dass die Zeit für alle gleich ist, dass sie für dich, der du gerade diesen Artikel in Deutschland liest, und eine Person, die in Japan gerade Langstreckenlauf trainiert, in derselben Geschwindigkeit läuft.
Der Relativitätstheorie von Einstein zufolge ist die Zeit nicht so exakt. Für den Läufer in Japan geht die Zeit schneller vorbei als für dich, der gerade vor dem Computer (oder Handy) sitzt. Daher die Bezeichnung „Relativität“.

Dieser Unterschied ist jedoch sehr marginal und in unserem alltäglichen Leben kaum spürbar. Er lässt sich nur in extremen Beispielen ausmachen, wie zum Beispiel ein Jahr im Weltraum zu verbringen. Bei der Rückkehr zur Erde kann es sein, dass Freunde und Familie zehn Jahre gealtert sind. Der Unterschied liegt darin, dass die Zeit für den Astronauten langsamer vergeht als für seine Freunde auf der Erde. Wenn du mit Lichtgeschwindigkeit reist, der schnellsten bekannten Geschwindigkeit, dann vergeht die Zeit für die Person schneller, die sich schneller im Verhältnis zu ihrem „Transportmittel“ bewegt, als die, die stillsteht.

Die Zeit ist auch für Materie und Energie relativ

Jahre später entdeckte Einstein, dass dieselbe Beziehung zwischen Zeit und Raum auch zwischen Masse und Energie besteht. Das erklärt, wie ein kleines Partikel an Materie eine große Menge Energie generieren kann.

In der Praxis lässt sich diese Theorie auf GPS-Satelliten anwenden. Sie bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 14.000 Km/h, was dazu führt, dass ihre Uhren sich pro Tag um sieben Millionstel einer Sekunde verzögern. Gleichzeitig bewegen sie sich in einer Höhe von 25.000 Km und sind so weniger der Schwerkraft ausgesetzt. Dadurch gewinnen sie jeden Tag 45 Millionstel Sekunden pro Tag.

Gps-Satellit im All
Die Zeit des Satelliten ist anders als unsere hier auf der Erde. Quelle: Unsplash.

Wenn wir die Differenz berechnen, kommen wir zu dem Schluss, dass jeden Tag ein Vorsprung von 38 Millionstel Sekunden gewonnen wird, was insgesamt zu 10.000 Km pro Tag führend würde, wenn wir diese Uhren nicht anpassen würden.

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Weitere 8 Beispiele der Relativitätstheorie von Einstein

Wie oben beschrieben, ist die Relativitätstheorie eine der bekanntesten Theorien des 20. Jahrhunderts.

Wie lässt sich diese bekannte Theorie auf Dinge anwenden, die wir in unserem alltäglichen Leben beobachten?

Albert Einstein stellte 1905 diese Theorie auf und erklärte darin, dass die Gesetze der Physik an allen Orten gleich sind. Die Theorie erklärt das Verhalten von Objekten in Raum und Zeit und wurde verwendet, um alles Mögliche vorherzusehen: schwarze Löcher, die Krümmung des Lichts aufgrund der Schwerkraft bis hin zum Verhalten des Planeten Merkur in seiner Umlaufbahn.

Die Theorie selbst ist scheinbar simpel.

Erstens: Es gibt kein Absolut. Jedes Mal, wenn wir die Geschwindigkeit eines Objektes, sein Momentum oder wie es die Zeit erfährt, messen, dann ist diese Messung immer im Verhältnis zu einer anderen Sache.

Zweitens: Die Lichtgeschwindigkeit ist stets gleich unabhängig davon, wer misst oder mit welcher Geschwindigkeit die messende Person sich bewegt.

Drittens: Nichts kann sich schneller bewegen als das Licht.

Die Auswirkungen von Einsteins bedeutendster Theorie sind tiefgreifend. Wenn die Lichtgeschwindigkeit immer gleich ist, dann bedeutet das, dass ein Astronaut, der sich im Verhältnis zur Erde sehr schnell bewegt, jede Sekunde langsamer misst als eine Person auf der Erde. Die Zeit verringert sich im Grunde für den Astronauten, ein Phänomen, das Zeitdilatation genannt wird.

Jedes Objekt, das an Geschwindigkeit gewinnt und sich in einem großen Gravitationsfeld befindet, erleidet ebenso Zeitdilatation. Gleichzeitig erfährt das Raumschiff des Astronauten eine relativistische Längenkontraktion. Das bedeutet, dass das Raumschiff auf einem Foto in die Länge gezogen aussehen würde. Für den Astronauten an Bord ist jedoch alles normal. Außerdem scheint das Raumschiff aus der Perspektive der Erde an Masse zu gewinnen.

Nach Einstein erleben Astronauten die sogenannte Zeitdilatation. Quelle: Unsplash.

Du brauchst aber kein Raumschiff, das mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist, um diese Effekte zu beobachten. Es existieren viele Beispiele der Relativität hier auf der Erde und in unserem Alltag. Selbst die Technologien, die wir heute verwenden, zeigen, dass Einstein Recht hatte. Im Folgenden wollen wir einige Beispiele für die Relativität aufführen:

  1. Elektromagneten
  2. GPS
  3. Die gelbe Farbe von Gold
  4. Gold rostet nicht
  5. Quecksilber ist eine Flüssigkeit
  6. Dein alter Fernseher
  7. Licht

Elektromagneten

Der Magnetismus ist ein relativistischer Effekt und, wenn du Elektrizität verwendest, kannst du der Relativität Danke dafür sagen, dass Generatoren funktionieren.

Wenn du einen Draht nimmst und ihn durch ein Magnetfeld bewegst, entsteht eine elektrische Spannung. Die geladenen Teilchen in dem Draht werden von der Veränderung im Magnetfeld stimuliert, welches sie dazu bringt, sich zu bewegen, wodurch eine Spannung entsteht.

Stell dir jetzt den Draht im Ruhezustand und den Magneten in Bewegung vor. In diesem Fall bewegen sich die geladenen Teilchen (Elektronen und Protonen) im Draht nicht mehr. Das Magnetfeld dürfte sie also nicht mehr stimulieren. Es tut es aber! Und es gibt auch nach wie vor eine Spannung. Das zeigt, dass es keinen übergeordneten Referenzpunkt gibt.

Thomas Moore, Professor der Physik am Pomona College in Claremont, California, verwendet das Prinzip der Relativität, um das Faradaysche Gesetz zu bestätigen, das aussagt, dass ein variables Magnetfeld eine elektrische Spannung erzeugt.

„Da dies das zugrundeliegende Prinzip der Transformatoren und elektrischen Generatoren ist, ist jede Person, die Elektrizität verwendet, mit den Effekten der Relativität vertraut“, sagte Moore.

Global Positioning System - GPS

Damit die GPS-Navigation in einem Auto mit der nötigen Präzision funktioniert, müssen Satelliten die Auswirkungen von Einsteins berühmter Theorie einberechnen. Obwohl die Satelliten sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, bewegen sie sich dennoch sehr schnell. Die Satelliten senden auch Signale an Stationen auf der Erde. Diese Stationen (und das GPS in deinem Auto) erleben höhere Geschwindigkeiten aufgrund der Schwerkraft als die Satelliten in der Umlaufbahn.

Um die notwendige Präzision sicherzustellen, nutzen die Satelliten Uhren, die auf die Nanosekunde genau sind. Jeder Satellit bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 10.000 km/h und dabei kommt es zu einer relativistischen Dilatation von ca. vier Mikrosekunden pro Tag. Rechnet man den Effekt der Schwerkraft hinzu, dann steigt diese Zahl auf sieben an. Das sind 7.000 Nanosekunden.

Die Differenz ist sehr real: Würde man diesen Effekt nicht mit einberechnen, dann würde dein GPS dir statt 0,8 Km bis zur nächsten Tankstelle 8 Km innerhalb eines Tages sagen.

Das GPS berechnet die Relativität ein.
Für die GPS-Navigation ist Einsteins Relativität sehr wichtig. Quelle: Unsplash.

Die gelbe Farbe des Goldes

Der Großteil der Metalle ist glänzend, denn die Elektronen in ihren Atomen springen zwischen verschiedenen Umlaufbahnen um den Atomkern, je nach Energieniveau. Einige Photonen, die das Metall erreichen, werden absorbiert oder erneut ausgestoßen, je nach Wellenlänge. Das sichtbarste Licht ist reflektiertes Licht.

Gold ist ein schweres Atom, da seine Elektronen im Inneren sich schnell genug bewegen, dass der relative Massegewinn signifikativ ist ebenso wie die Längenverkürzung. Das führt dazu, dass die inneren Elektronen in engeren Kreisen und dafür schneller um den Atomkern kreisen. Sie transportieren Energie, die der Energie der äußeren Elektronen näher ist und die Länge der Wellen, die absorbiert oder reflektiert werden, ist länger.

Weißes Licht ist eine Mischung aller Farben des Regenbogens. Im Fall von Gold, wo Licht absorbiert oder erneut emittiert wird, sind die Wellen üblicherweise länger. Das bedeutet, dass die Wellen, die wir als Licht sehen, weniger Blau und Violett beinhalten. Das führt dazu, dass Gold gelb erscheint, da gelbes, rotes und orangenes Licht längere Wellenlängen aufweisen als blaues.

Gold rostet nicht

Der relativistische Effekt der Elektronen des Goldes ist einer der Gründe, warum das Metall nicht rostet oder mit anderen Dingen leicht reagiert.

Gold hat nur ein Elektron in seiner Hülle, es ist aber nicht so reaktiv wie Calcium oder Lithium. Stattdessen sind die Elektronen des Goldes schwerer als sie sein sollten. Sie befinden sich alle näher am Atomkern. Das bedeutet, dass es wahrscheinlich ist, dass das äußere Elektron sich nicht in einer Position befindet, in der es mit anderen Dingen reagieren kann.

Quecksilber ist eine Flüssigkeit

Ähnlich wie Gold hat auch Quecksilber ein schweres Atom, in dem die Elektronen aufgrund seiner Geschwindigkeit und resultierendem Massenzuwachs näher am Kern gehalten werden. Quecksilber weist schwache Verbindungen zwischen seinen Atomen auf. Deshalb schmilzt es bei niedrigen Temperaturen und ist üblicherweise flüssig, wenn wir es sehen.

Dein alter Fernseher

Noch vor wenigen Jahren hatten die meisten Fernseher und Monitore Kathodenstrahlröhren. Eine Kathodenstrahlröhre funktioniert so, dass Elektronen mit einem großen Magneten auf eine Phosphoroberfläche geschossen werden. Jedes Elektron produziert ein erleuchtetes Pixel, wenn hinter die Oberfläche gerät. Die Elektronen bringen das Bild dazu, sich mit einer Geschwindigkeit von 30 % der Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Die relativistischen Effekte sind sichtbar und beim Formen der Magneten in der Herstellung mussten sich die Hersteller über diese Gedanken machen.

Roehrenfernseher
Der Röhrenfernseher war lange die modernste Technologie. Quelle: Unsplash.

Licht

Wenn Isaac Newton mit der Annahme Recht gehabt hätte, dass es einen absoluten Ruhezustand gibt, dann müssten wir eine neue Erklärung für Licht finden, denn dieses könnte dann nicht existieren.

„Nicht nur der Magnetismus wäre dann nicht vorhanden, auch das Licht gäbe es nicht, denn die Relativität sorgt dafür, dass Veränderungen in einem Elektromagnetfeld mit einer finiten Geschwindigkeit von statten gehen statt unmittelbar zu passieren,” sagte Moore vom Pomona College. „Wenn die Relativität nicht diese Voraussetzung schaffen würde… dann würde Veränderungen in einem elektrischen Feld unmittelbar erfolgen und dann wären Magnetismus und Licht überflüssig.“

Einstein, die Quantenmechanik und die moderne Physik

Es wird öfter gesagt, dass Einstein eine Hassliebe zur Quantenmechanik hatte. Gleichzeitig machte er bedeutende Entdeckungen auf diesem Gebiet und war selbst sein größter Kritiker.

Nach eingehender Betrachtung kam man zu dem Schluss, dass die Newtonschen Gesetze sich nicht sehr gut auf kleine Einheiten anwenden ließen, so zum Beispiel Atome und Moleküle. Davon ausgehend schafften Einstein, Planck, Bohr und Schrodinger die Quantenmechanik.

Nachdem die zu der Zeit bestehenden Theorien auf dem Feld hinterfragt wurden, baute Einstein auf Plancks Entdeckungen auf und führte das Konzept des Photon ein, das später durch einen anderen Wissenschaftler erweitert werden sollte.

Obwohl Einstein einer derer war, die sich über die Entdeckung freuten, waren die Folgen jedoch nicht die erwarteten: Es wurde über eine inhärente Zufälligkeit gegenüber den wesentlichen Naturgesetzen gesprochen, welchem Einstein nie zustimmte.

Mit dem Aufkommen dieser Theorien, die den Ursprung der Quantenmechanik darstellten, brach eine neue Ära an: die moderne Physik. Sie kann als Fortlauf der klassischen Physik verstanden werden, die von Isaac Newton und Galileu Galilei begründet wurde.

Die Formel der Relativitaetstheorie.
Die wohl bekannteste Formel der Physik. Quelle: Unsplash.

In dieser Phase wurde die Strahlung gemessen, die von Schwarzen Körpern ausging sowie ihre Auswirkungen, die bis dahin unerklärlich waren. Es war auch zu dieser Zeit, dass Einstein zu dem Schluss kam, dass Materie und Energie äquivalent sind. Es ist so, als ob die Materie aus einer bestimmten Menge gespeicherter Energie bestünde. In den Atombomben und Atomkraftwerken beispielsweise gab/gibt es kleine Mengen Masse mit großen Mengen an gespeicherter Energie.

Diese Untersuchungen bildeten die Grundlage für die Entwicklung der Relativitätstheorie.

Die Bedeutung Einsteins in der Atomphysik

Wie oben erwähnt war es Einsteins Erkenntnis zum Verhältnis von Materie und Energie, die das Fundament für die Atombombe legte.

Selbst wenn du dich nicht für Physik interessierst, hast du folgende Formel mit Sicherheit schon mal gesehen: E=mc2. Es ist wohl die bekannteste Formel aller Zeiten und sie wurde von Einstein entwickelt.

Die Erklärung: „Energie = Masse x Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat” scheint erstmal einfach. Die Energie, die Einstein erwähnt, entspricht der Bewegung oder der Interaktion von Himmelskörpern im Weltraum. Diese Energie kann in vielerlei Form auftreten, als Bewegung, als Wärme oder anderes.

Die Kernspaltung ist eine Möglichkeit, in einem Atom eine bestimmte Masse freizusetzen. Um nun die ganze Masse in Energie umzuwandeln, braucht es eine Form der Antimaterie, die mit der Masse verbunden werden kann. Eine Quelle für eine solche Materie existiert nicht.

Eine andere Alternative ist es, einen Teilchenbeschleuniger zu verwenden. Die notwendige Zeit, um ein Kilo herzustellen, wären zehn Millionen Jahre.

Teilchenbeschleuniger
Mit einem Teilchenbeschleuniger ließe sich Antimaterie herstellen. Quelle: Unsplash.

Der Nobelpreis und seine historische Bedeutung

Bei so vielen Beiträgen zur Geschichte der Physik liegt es auf der Hand, dass Einstein bedeutende Auszeichnungen erhalten hat. 1922 wurde er mit dem Nobelpreis der Physik für 1921 ausgezeichnet. In der Preisverleihung wurden die Entdeckungen des photoelektrischen Effektes sowie die Relativitätstheorie erwähnt.

Es gab viel Kontroverse darum, was mit dem Preisgeld passiert ist. Angeblich haben Einsteins Ex-Frau und seine zwei Söhne im Rahmen der Scheidung einen Großteil des Geldes erhalten. In Korrespondenzen, die 2006 veröffentlicht wurden, gibt er jedoch an, einen Großteil in die USA investiert zu haben, in erster Linie aufgrund der Großen Depression.

Einstein erhielt weitere bedeutende Auszeichnungen wie die Copley-Medaille und die Franklin-Medaille. Sein Name ist für immer als einer der bedeutendsten und prägendsten Deutschen in die Geschichte eingegangen. 1999 verlieh das TIME Magazine ihm den Titel der Person des Jahrhunderts.

Im August 1955, fünf Monate nach seinem Tod, wurde das 99. Element in der Periodentabelle Einsteinium als eine Hommage an ihn genannt. In Deutschland gibt es  den Albert Einstein Science Park mit einem Turm, der als astrophysisches Observatorium dient.

1951 wurde die Albert-Einstein-Medaille ins Leben gerufen. Der Preis wird von der Schweizer Albert Einstein-Gesellschaft vergeben und an Personen vergeben, die wichtige wissenschaftliche Forschung betreiben, die von Einsteins eigener Arbeit inspiriert ist.

Natürlich müssen wir nicht alle so sein wie Einstein oder auch Hawking, der sein Leben den großen Entdeckungen der Physik widmete. Etwas Physik zu lernen und zu verstehen ist aber mit Sicherheit so oder so eine gute Idee, warum nicht zum Beispiel mehr über Marie Curie in der Physik erfahren? Und die Physik steht dabei allen offen!

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Sarah

Als Dolmetscherin und Übersetzerin sind fremde Länder und Kulturen mein täglich Brot. Wenn ich nicht gerade meine Leidenschaft für Sprachen und Reisen auslebe, bin ich auf Fußballplätzen zu finden, mit meinem Longboard unterwegs oder probiere mich wahrscheinlich gerade an einer anderen Sportart aus.