Köpfe: Albert Einstein

Albert Einstein ist der wohl bekannteste Physiker der Geschichte. Er wurde am 14. März 1879 in Ulm geboren und veränderte mit seinen Arbeiten das Verständnis von Raum, Zeit, Licht und Schwerkraft. Den Nobelpreis für Physik erhielt er allerdings nicht für die Relativitätstheorie, mit der man seinen Namen heute meist verbindet. Die Schwedische Akademie zeichnete ihn für das Jahr 1921 „für seine Verdienste um die theoretische Physik und besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts“ aus. Dieser Porträtartikel erklärt, was hinter diesen Leistungen steckt, und zwar so, dass Sie dafür keine Formeln brauchen.

Kindheit, Schule und ein holpriger Start

Einstein wuchs in München auf, wohin die Familie kurz nach seiner Geburt zog. Sein Vater Hermann und sein Onkel Jakob betrieben dort eine elektrotechnische Firma. Das verbreitete Gerücht, Einstein sei ein schlechter Schüler gewesen, stimmt nicht: In Mathematik und Physik war er früh ausgezeichnet. Mit dem autoritären Schulbetrieb kam er jedoch schlecht zurecht. Als die Familie nach Italien zog, verließ er das Münchner Gymnasium ohne Abschluss. Er holte die Matura im schweizerischen Aarau nach und studierte anschließend am Eidgenössischen Polytechnikum in Zürich, der heutigen ETH, um Fachlehrer für Mathematik und Physik zu werden. Im Jahr 1900 schloss er das Studium ab.

Eine Stelle an einer Hochschule fand er danach nicht. 1902 begann er als technischer Experte dritter Klasse am Eidgenössischen Amt für geistiges Eigentum in Bern, also am Patentamt. Die Arbeit ließ ihm Zeit zum Nachdenken, und gerade in dieser Phase entstanden die Ideen, die ihn berühmt machten. 1903 heiratete er Mileva Marić, eine Studienkollegin aus Zürich. Später erwarb er die Schweizer Staatsbürgerschaft.

Das Wunderjahr 1905

Im Jahr 1905 veröffentlichte Einstein in der Fachzeitschrift Annalen der Physik mehrere Arbeiten, von denen jede einzelne eine wissenschaftliche Karriere hätte begründen können. Physiker sprechen deshalb vom „Wunderjahr“. Im selben Jahr reichte er an der Universität Zürich seine Doktorarbeit ein, in der er eine Methode zur Bestimmung der Größe von Molekülen entwickelte. Drei Themen aus diesem Jahr sind besonders wichtig: das Licht als Teilchenstrom, die Bewegung kleinster Teilchen in Flüssigkeiten und die spezielle Relativitätstheorie.

Licht in Portionen: der photoelektrische Effekt

Wenn Licht auf eine Metalloberfläche fällt, kann es Elektronen herauslösen. Dieser photoelektrische Effekt war bekannt, ließ sich aber mit der damaligen Vorstellung vom Licht als reiner Welle nicht erklären. Nach dieser Vorstellung hätte helleres Licht die Elektronen kräftiger anstoßen müssen. Tatsächlich hing die Energie der herausgelösten Elektronen aber von der Farbe, also der Frequenz des Lichts, ab und nicht von seiner Helligkeit. Unterhalb einer bestimmten Frequenz kamen gar keine Elektronen heraus, egal wie stark man beleuchtete.

Einstein schlug vor, dass Licht aus einzelnen Energieportionen besteht, die man heute Photonen nennt. Die Energie einer Portion hängt nur von der Frequenz ab. Ein Elektron wird von genau einer Portion getroffen. Reicht deren Energie nicht aus, bleibt das Elektron im Metall, gleich wie viele Portionen ankommen. Helleres Licht bedeutet nur mehr Portionen und damit mehr Elektronen, nicht aber schnellere. Max Planck hatte 1900 bereits mit solchen Energieportionen gerechnet, sah darin jedoch eher einen mathematischen Kunstgriff. Einstein nahm die Idee physikalisch ernst. Der amerikanische Physiker Robert Millikan bestätigte Einsteins Vorhersagen in den folgenden Jahren durch sorgfältige Messungen, obwohl er selbst anfangs skeptisch war. Diese Arbeit gilt als ein Grundstein der Quantenphysik, und genau sie würdigte das Nobelkomitee.

Zitternde Teilchen: die Brownsche Bewegung

Unter dem Mikroskop sieht man, dass winzige Teilchen in einer Flüssigkeit, etwa Pollenbestandteile, ständig unregelmäßig hin und her zucken. Der Botaniker Robert Brown hatte das schon 1827 beschrieben. Einstein zeigte 1905, dass diese Zitterbewegung entsteht, weil die unsichtbaren Moleküle der Flüssigkeit fortwährend von allen Seiten gegen die Teilchen stoßen. Er sagte voraus, wie weit sich ein Teilchen im Mittel in einer bestimmten Zeit von seinem Ausgangspunkt entfernt. Der französische Physiker Jean Perrin bestätigte das experimentell und erhielt dafür 1926 selbst den Nobelpreis. Damit war ein wichtiger Nachweis erbracht, dass Atome und Moleküle real existieren. Das war um 1905 unter Fachleuten noch nicht völlig unumstritten.

Die spezielle Relativitätstheorie

Die bekannteste Arbeit des Jahres 1905 trug den nüchternen Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“. Einstein ging von zwei Grundannahmen aus. Erstens gelten die Naturgesetze für alle gleichförmig bewegten Beobachter gleich. Zweitens ist die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum für alle diese Beobachter dieselbe, unabhängig davon, wie schnell sich die Lichtquelle bewegt.

Diese beiden Annahmen klingen harmlos, haben aber erstaunliche Folgen. Wenn alle Beobachter dieselbe Lichtgeschwindigkeit messen sollen, können Zeit und Länge nicht für alle gleich sein. Eine bewegte Uhr geht aus Sicht eines ruhenden Beobachters langsamer, ein bewegter Maßstab erscheint verkürzt. Auch die Frage, ob zwei Ereignisse gleichzeitig stattfinden, hängt vom Bewegungszustand des Beobachters ab. Bei Alltagsgeschwindigkeiten sind diese Effekte winzig, bei sehr hohen Geschwindigkeiten werden sie deutlich. Gemessen wurden sie inzwischen vielfach, zum Beispiel an schnellen Teilchen aus der kosmischen Strahlung, die dank verlangsamter Zeit länger existieren, als es ohne Relativitätstheorie möglich wäre.

In einem kurzen Nachtrag aus demselben Jahr folgerte Einstein, dass Masse und Energie zusammenhängen. Daraus wurde die berühmte Formel E = mc². Sie besagt, dass schon eine kleine Masse einer gewaltigen Energiemenge entspricht, weil die Lichtgeschwindigkeit c eine sehr große Zahl ist. Diese Beziehung erklärt, woher die Sonne ihre Energie bezieht, und sie spielt in der Kernphysik eine zentrale Rolle.

Die allgemeine Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie hatte eine Lücke: Sie behandelte die Schwerkraft nicht. Einstein arbeitete rund zehn Jahre daran, sie einzubeziehen. Ausgangspunkt war eine Überlegung, die er später als den „glücklichsten Gedanken“ seines Lebens bezeichnete: Eine Person im freien Fall spürt ihr eigenes Gewicht nicht. Schwerkraft und beschleunigte Bewegung lassen sich lokal nicht unterscheiden.

Ende 1915 legte Einstein in Berlin die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie vor. Ihre Kernaussage: Masse und Energie krümmen Raum und Zeit, und Körper bewegen sich in dieser gekrümmten Raumzeit auf den natürlichsten möglichen Bahnen. Was wir als Anziehungskraft erleben, ist nach dieser Sicht eine Folge der Geometrie. Ein häufig benutztes Bild ist ein gespanntes Tuch, in das eine schwere Kugel eine Mulde drückt, in die kleinere Kugeln hineinrollen.

Die Theorie erklärte sofort eine kleine Unregelmäßigkeit in der Bahn des Merkur, die mit Newtons Gravitationsgesetz nicht aufging. Sie sagte außerdem voraus, dass Licht von Sternen beim Vorbeiflug an der Sonne abgelenkt wird. Britische Expeditionen unter Arthur Eddington maßen diese Ablenkung bei der Sonnenfinsternis im Mai 1919. Als die Ergebnisse im November 1919 bekannt gegeben wurden, wurde Einstein über Nacht weltberühmt.

Viele weitere Vorhersagen wurden später bestätigt. Uhren gehen in der Nähe großer Massen langsamer, was die Satellitennavigation berücksichtigen muss, damit Ihr Navigationsgerät korrekte Positionen anzeigt. Einstein selbst sagte 1916 Gravitationswellen voraus, also winzige Schwingungen der Raumzeit. Direkt gemessen wurden sie erst 2015 mit den LIGO-Detektoren in den USA. Auch Schwarze Löcher und die Ausdehnung des Universums lassen sich mit seinen Gleichungen beschreiben.

Weitere Beiträge zur Quantenphysik

Einstein trug noch mehr zur Quantenphysik bei. 1917 beschrieb er die stimulierte Emission von Licht: Ein angeregtes Atom kann durch ein passendes Photon dazu gebracht werden, ein identisches zweites Photon auszusenden. Dieses Prinzip ist die Grundlage des Lasers, der Jahrzehnte später gebaut wurde. Gemeinsam mit dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose sagte er 1924 und 1925 einen besonderen Materiezustand voraus, der bei extrem tiefen Temperaturen entsteht. Dieses Bose-Einstein-Kondensat wurde 1995 im Labor erzeugt.

Mit der Deutung der späteren Quantenmechanik haderte Einstein jedoch. Ihm missfiel, dass sie nur Wahrscheinlichkeiten angibt. Sinngemäß schrieb er, er sei überzeugt, dass Gott nicht würfle. 1935 veröffentlichte er mit Boris Podolsky und Nathan Rosen eine Arbeit, die eine scheinbar paradoxe Verknüpfung zwischen weit entfernten Teilchen aufzeigte. Diese Verschränkung wurde später experimentell bestätigt und ist heute eine Grundlage der Quanteninformationstechnik.

Berlin, Emigration und Princeton

Nach Professuren in Zürich und Prag ging Einstein 1914 nach Berlin, als Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften und später Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik. Seine erste Ehe wurde 1919 geschieden, im selben Jahr heiratete er seine Cousine Elsa. Als Jude und bekannter Pazifist war er in Deutschland zunehmend Anfeindungen ausgesetzt. Nach der Machtübernahme der Nationalsozialisten 1933 kehrte er von einer Reise in die USA nicht zurück und nahm eine Stelle am neu gegründeten Institute for Advanced Study in Princeton an. 1940 wurde er amerikanischer Staatsbürger.

1939 unterzeichnete er einen Brief an Präsident Franklin D. Roosevelt, den der Physiker Leó Szilárd verfasst hatte. Darin wurde vor der Möglichkeit einer deutschen Atombombe gewarnt. An der Entwicklung der amerikanischen Bombe war Einstein selbst nicht beteiligt. Später bedauerte er die Unterschrift und setzte sich für Abrüstung ein.

In seinen letzten Jahrzehnten suchte er nach einer einheitlichen Feldtheorie, die Schwerkraft und Elektromagnetismus zusammenführen sollte. Dieses Ziel erreichte er nicht. Albert Einstein starb am 18. April 1955 in Princeton.

Was von Einstein bleibt

Einsteins Arbeiten bilden zwei Säulen der modernen Physik: die Relativitätstheorie und die Quantenphysik. Sie stecken in Technik, die Sie täglich nutzen, von der Satellitennavigation bis zum Laser im Barcodescanner. Bemerkenswert ist, dass viele seiner Vorhersagen erst Jahrzehnte nach seinem Tod direkt nachgewiesen werden konnten. Sein Beispiel zeigt auch, wie weit man mit genauem Nachdenken über scheinbar einfache Fragen kommen kann, etwa der Frage, was ein Beobachter sähe, der neben einem Lichtstrahl herläuft.

Stand: 29.10.2026