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Quarks & Caspers | Einstein - 7 Dinge, die Sie wissen sollten | 01.12.2015 http://www.quarks.de

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Einstein 7 Dinge, die Sie wissen sollten

Er ist der berühmteste Wissenschaftler aller Zeiten: Albert Einstein – Genie und

Revolutionär der Physik. Er stellte unser Weltbild auf den Kopf und wurde zum

Superstar der Wissenschaft. - Aber was genau war seine geniale Idee? Was hat es

mit der Relativitätstheorie auf sich? Und was ist eigentlich mit seinem Gehirn

passiert? 7 erstaunliche Dinge über Einstein!

Schulabbrecher und Rebell

Was war Einsteins geniale Idee?

Wie viel Einstein steckt in dir?

Wie erträgt man ein Genie?

Die Illusion der Schwerkraft

Albert Einstein Superstar

Einsteins größter Reinfall

Würfelt Gott?

Die Formel aller Formeln

Was bedeutet eigentlich E=mc2?

Einstein und die Atombombe

Einstein for President

Was geschah mit Einsteins Gehirn?

Einstein für Anfänger

Redaktion:

Daniele Jörg

Chefautor:

Ingo Knopf

Autoren:

Katharina Adick,

Sebastian Funk,

Dirk Gilson,

Assistenz:

Ursula Heidtmann


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Schulabbrecher und Rebell Albert Einsteins holpriger Werdegang

Dass aus Albert Einstein mal ein echtes Genie wurde, hätte anfangs niemand

geglaubt. Seine Eltern machten sich Sorgen: Es dauerte lange, bis Albert zu

sprechen begann. Sein Kindermädchen hielt ihn für dumm und auch in der Schule

hatte Einstein eine Menge Probleme – sein Gymnasium in München verließ er

ohne Abschluss.

Mythos schlechter Schüler

Bis heute hält sich das Gerücht, Einstein sei ein schlechter Schüler gewesen.

Doch das stimmt nicht. Um dem Militärdienst im Deutschen Reich zu entkommen,

wanderte Einstein im Alter von 16 Jahren in die Schweiz aus und holte dort auch

sein Abitur nach. Tatsächlich hatte er in Mathe und Physik nur Fünfen und

Sechsen. Doch zu dieser Zeit war in der Schweiz die Sechs die beste Schulnote –

und Eins die schlechteste.

Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf


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Lesetipp

Albert Einstein

Autoren: Horst Ziegelmann, Jürgen Renn,

Ernst Peter Fischer

Verlagsangaben: be.bra Verlag, Mai 2012,

ISBN: 978-3-937233-91-8

Sonstiges: 224 Seiten, 56 Abbildungen, gebunden,

32,00 Euro

Ein sehr lesenswertes Buch für jeden, der mehr über den Menschen Einstein

erfahren möchte und verstehen will, in welchem historischem und

wissenschaftlichem Umfeld er seine Theorien entwickelt hat. Drei ausgewiesene

Einstein-Experten schreiben in drei verständlich geschriebenen Kapiteln über sein

Leben, wie er auf seine Relativitätstheorie kam und über Einsteins Beitrag zur

Quantentheorie.


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Was war Einsteins geniale Idee? Wie Einstein auf die Relativitätstheorie kam

Eigentlich kennen wir es so: Geschwindigkeiten addieren sich. Wirft man zum

Beispiel einen Ball aus einem fahrenden Auto nach vorne, dann fliegt der Ball

schneller, als wenn man ihn im Stehen abwirft. Ganz anders ist das beim Licht.

Um 1900 konnten Wissenschaftler in Experiment beweisen: Lichtstrahlen breiten

sich immer gleich schnell aus – und zwar ganz unabhängig davon, wie schnell sich

die Lichtquelle bewegt.

Einsteins Schlussfolgerung: Die Zeit ist relativ

Physiker konnten sich die Ergebnisse zuerst nicht erklären. Doch Einstein machte

ein Gedankenexperiment und kam zu dem Schluss: Wenn die

Lichtgeschwindigkeit tatsächlich absolut ist, dann stimmt unser physikalisches

Weltbild nicht mehr. Zeit ist dann nicht absolut, sondern relativ. Je schneller man

sich bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Es war der Beginn einer völlig

neuen Physik.


Linktipp

Die Relativitätstheorie – einfach und verständlich erklärt

http://www.einstein-online.info/einsteiger


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Wie viel Einstein steckt in dir? So einfach lässt sich die Relativität der Zeit herleiten

Dass Zeit nicht absolut, sondern relativ ist, war eine der wichtigsten Erkenntnisse

Albert Einsteins. Mit seiner Relativitätstheorie, die auf dieser Erkenntnis aufbaut,

revolutionierte er die Physik. Tatsächlich ist es ganz einfach, den Gedankengang

von Albert Einstein nachzuvollziehen – ohne eine einzige physikalische Formel.

Filmautoren: Sebastian Funk, Dirk Gilson


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Wie erträgt man ein Genie? Die schwierige Ehe von Albert und Mileva Einstein

„Die Ehe ist der erfolglose Versuch, einen Zufall zu etwas dauerhaftem zu

machen.“

Albert Einstein

Glück im Job, Pech in der Liebe: Während Einstein in der Physik durchstartete,

hakte es in seiner Ehe mit Mileva gewaltig. Anfangs teilten sie noch die

Leidenschaft für die Wissenschaft, mit der Zeit aber wurde ihr Verhältnis immer

schwieriger. Der Gipfel: Ein Ehevertrag, der Mileva dazu verpflichtete, ihm nicht zu

nahe zu kommen.



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Die Illusion der Schwerkraft Wie ein fallender Mann unser Weltbild auf den Kopf stellte

Einstein saß an seinem Schreibtisch und stellte sich vor, wie ein Mann vom Dach

fällt. Das sei der glücklichste Gedanke seines Lebens gewesen, sagte er später.

Denn Einstein folgerte: Der freie Fall ist identisch mit der Schwerelosigkeit und die

Schwerkraft damit nur eine Illusion.



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Albert Einstein Superstar Wie Einstein weltberühmt wurde

Albert Einstein ist der wohl bekannteste Wissenschaftler aller Zeiten. Und er

prägte nicht nur die Physik, sondern auch Film und Fernsehen: Bis heute werden

durchgeknallte Forscher auf der Leinwand gerne mit zotteliger Einstein-Mähne

dargestellt. Weltruhm erlangte Einstein aber nicht durch sein außergewöhnliches

Aussehen. Als 1919 bei einer Sonnenfinsternis seine Relativitätstheorie endgültig

bestätigt wurde, kannte ihn über Nacht fast die ganze Welt.



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Einsteins größter Reinfall Warum das Universum doch nicht statisch ist

Eigentlich war Albert Einstein schon auf der richtigen Spur: Seinen Formeln und

Berechnungen nach musste sich das Universum entweder ausdehnen oder mit

der Zeit zusammenziehen. Doch das wollte Einstein nicht glauben: Genau wie die

meisten seiner Physiker-Kollegen ging er davon aus, dass das Universum statisch

sei, seine Größe also nicht verändert.

Das Universum dehnt sich aus

Doch 1929 entdeckte der Astronom Edwin Hubble, dass sich das Universum seit

dem Urknall tatsächlich ausdehnt. Damit war klar: Einstein hatte sich geirrt.



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Würfelt Gott? Warum die Welt nicht berechenbar ist

Einsteins Relativitätstheorie beschreibt eine Welt, die wie ein Uhrwerk funktioniert:

Wenn man genau genug misst, kann man alles berechnen. Tatsächlich funktioniert

die Theorie hervorragend, wenn es darum geht, das Universum mit Sternen,

Planeten und Galaxien zu beschreiben und zu erklären. Ganz anders aber bei

Atomen: In dieser winzigen Welt versagt die Relativitätstheorie völlig.

Die seltsame Welt der Quantenphysik

Um die Prozesse in Atomen besser erklären zu können, hatten Physiker zu

Einsteins Zeit eine andere Theorie entwickelt – die Quantentheorie. Obwohl

Einstein sogar die Grundlagen dafür gelegt hat, gefiel ihm diese Theorie überhaupt

nicht: Denn in der Quantenphysik lässt sich nichts genau berechnen. Vieles hängt

vom Zufall ab. Wohin sich zum Beispiel ein Elektron in der Atomhülle bewegt, lässt

sich nicht exakt berechnen, sondern nur mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten

vorhersagen. Einstein wollte das nicht glauben: „Der Alte würfelt nicht“, war seine

Überzeugung. Und er geriet darüber in Streit mit seinen Kollegen.



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Die Formel aller Formeln Physiker auf der Suche nach der Weltformel

Es ist das Streben nach mathematischer Schönheit, nach einem einzigen

physikalischen Gesetz, das alle anderen umfasst. Einstein, Heisenberg und viele

berühmte Physiker vor ihnen haben davon geträumt und ihr Leben lang vergeblich

danach gesucht. Heute bewegen sich die Theorien zum Bauplan des Universums

am Rande wissenschaftlicher Beweisbarkeit und klingen oft viel mehr nach

Science Fiction als nach Forschung.

Filmautorin: Katharina Adick


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Was bedeutet eigentlich E=mc²? Die berühmteste Formel der Welt

Einsteins weltberühmte Formel E=mc² ist kurz – und eigentlich auch ziemlich

einfach. Sie besagt letztlich nichts anderes, als dass Masse und Energie

äquivalent sind: Multipliziert man die Masse eines Objekt mit dem Quadrat der

Lichtgeschwindigkeit, so erhält man die enthaltene Energie. Und weil die

Lichtgeschwindigkeit eine ziemlich große Zahl ist, kommt man schnell auf

gigantische Energiemengen. Würde man alle Atome einer herkömmlichen

Büroklammer vollständig in Energie umwandeln können, entspräche dies der

Sprengkraft einer Atombombe.

Strom durch die Umwandlung von Masse in Energie

Verschmilzt man zwei Atome miteinander, wird ein Teil ihrer Masse in Energie

umgewandelt. Dieser Prozess nennt sich Kernfusion. Forscher hoffen, mithilfe von

Kernfusion eines Tages Strom erzeugen zu können.



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Einstein und die Atombombe Hat der Physiker bei der Entwicklung geholfen?

Seit 1933 lebt Einstein in den USA. Von dort aus beobachtet er mit Sorge, dass

die Nazis vermutlich an einer Atombombe arbeiten. In einem Brief warnt Einstein

den amerikanischen Präsidenten: Eine Atombombe in den Händen der Nazis

müsse auf jeden Fall verhindert werden.

Forscher bitten Einstein um Hilfe

Als neue Forschungsergebnisse die potenzielle Sprengkraft von Atombomben

zeigen, treiben auch die USA die Entwicklung der Bomben voran. Doch bei der

Herstellung gibt es technische Probleme. Die Ingenieure wenden sich an Einstein.

Filmautorin: Katharina Adick


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Einstein for President Als der Physiker Staatschef werden sollte

Einsteins Interessen galten nicht nur der Wissenschaft, sondern auch der Politik.

Zu Beginn des ersten Weltkriegs unterzeichnete er einen Aufruf gegen den Krieg

und blieb Zeit seines Lebens Pazifist. Zudem war er Sozialist, was ihm in den USA

einige Probleme bereitete: FBI-Agenten beschatteten ihn, zapften sein Telefon an

und durchwühlten seinen Müll. Doch während die USA Einstein wie einen Feind

behandelten, hätte ein anderes Land ihn gerne zu seinem Präsidenten gemacht.



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Was geschah mit Einsteins Gehirn? Auf der Suche nach dem Geheimnis seiner Genialität

Die Geschichte von Albert Einsteins Gehirn ist ziemlich bizarr: Denn nach seinem

Tod begann für seine grauen Zellen eine wahre Odyssee. Ohne vorherige

Einwilligung Einsteins und ohne Erlaubnis seiner Angehörigen entnahm der

Pathologe Thomas Harvey bei der Obduktion Einsteins Gehirn. Er zerschnitt es in

240 Scheiben und lagerte sie in Formaldehyd eingelegt in Einmachgläsern in

seinem Keller.

Erst viele Jahre später konnte Harvey, der selber kein Hirnspezialist war,

Hirnforscher davon überzeugen, das Organ zu untersuchen.



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Einstein für Anfänger Relativitätstheorie zum Mitreden

Welches Weltbild hatten Physiker eigentlich vor Einstein?

Als Einstein 1896 sein Physikstudium in Zürich begann, galt die Physik als

vollständig verstandene Wissenschaft. Zweihundert Jahre zuvor hatte Sir Isaac

Newton die Gesetze der Mechanik beschrieben – und die schienen allgemein

gültig. Newton ging davon aus, dass Zeit und Raum absolut sind. Das heißt:

Weder Raum noch Zeit können von physikalischen Phänomene beeinflusst

werden – wie etwa der Schwerkraft. Als Einstein Student waren, interessierten

sich die Physiker vor allem für die damals neuen Felder der Physik: Elektrizität und

Magnetismus, elektrische Felder, Strom und magnetische Kräfte. Sie rätselten

auch über das Wesen des Lichts: Bekannt war, dass sich Licht wie eine Welle

verhält. Wie Wasserwellen – nur fehlte ein Medium wie Wasser. Deshalb erfand

man den „Äther“, etwas, durch das sich Licht ausbreiten konnte. Und genau das

war damals das heiße Forschungsthema: die Suche nach eben diesem „Äther“.

Was war Einsteins zentrale Idee?

Einstein sagte von sich selbst:

„Ich habe keine besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaftlich

neugierig“.

Seine zentrale Idee war bahnbrechend und stand im völligen Kontrast zur Physik

seiner Zeit. Er suchte eben nicht nach einem „Äther“ – sondern überdachte die

Physik neu und kam zu dem Schluss: Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant.


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Damit war der Äther vom Tisch und es änderte sich alles. Eine maximale

Geschwindigkeit für Licht war ein vollkommener Bruch mit der Mechanik von

Newton und Galilei. Und es bedeutete auch: die Zeit muss relativ sein.

Was heißt das: Die Zeit ist relativ?

„Wenn man mit dem Mädchen, das man liebt, zwei Stunden zusammensitzt, denkt

man, es ist nur eine Minute; wenn man aber nur eine Minute auf einem heißen

Ofen sitzt, denkt man, es sind zwei Stunden - das ist Relativität.“

Diese humorvolle, für Einstein typische Antwort, enthält auch eine wichtige

Wahrheit: Wie schnell die Zeit scheinbar vergeht, hängt vom Betrachter ab. In

Einsteins spezieller Relativitätstheorie, die er 1905 veröffentlichte, gibt es dazu ein

Gedankenexperiment:

Stellen wir uns vor, wir stehen an einer Bahnschranke und ein ICE fährt mit

Höchstgeschwindigkeit vorbei. Wir beobachten dabei einen Fahrgast am Fenster.

Für uns erscheint es so, dass sich der Fahrgast mit hoher Geschwindigkeit an uns

vorbei bewegt, während wir in Ruhe an der Schranke warten. Für den Fahrgast

aber sieht es anders aus: Für ihn bewegen wir uns mit hoher Geschwindigkeit an

seinem Fenster vorbei – im Abteil scheint aber alles in Ruhe. Er merkt nicht, dass

er sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, da sich alles im Abteil mit der gleichen

Geschwindigkeit bewegt. Der einzige Unterscheid zwischen uns und dem

Fahrgast ist unsere relative Geschwindigkeit zueinander – aber genau dieser

Unterschied wirkt sich auf die Zeit aus.

Wir gehen ein paar Schritte – und schaffen einen Meter in einer Sekunde.

Genausoweit kommt der Fahrtgast, wenn er durch den Zug geht. Für uns als

Beobachter aber hat er innerhalb dieser einen Sekunde eine weitaus größere

Strecke zurückgelegt: etwa 55 Meter. Wie aber geht das? Eine so viel größere

Strecke in gleicher Zeit? Eine Erklärung: Die Sekunde im Zug hat länger gedauert

als bei uns an der Schranke. Die Zeit verging also unterschiedlich schnell – man

spricht von einer Zeitdilatation. Auf Deutsch: die Zeit hat sich gedehnt. Das

Zugmodell macht dieses Prinzip klar, aber trotzdem hinkt es etwas: In Einsteins

Welt hätten wir und der Fahrgast uns mit Lichtgeschwindigkeit bewegen müssen.

Dann erst könnte man diese Zeitdilatation messen.

Was ist die Raumzeit?

Vor Einsteins Relativitätstheorie waren die Begriffe Raum und Zeit völlig

voneinander getrennt. Erst durch Einstein sind die drei Dimensionen eines

Raumes untrennbar mit einer weiteren Dimension verbunden: der Zeit. Das

Ergebnis ist ein vierdimensionales Gebilde: die Raumzeit. Alles dehnt sich also


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nicht nur nach links oder rechts, oben oder unten, vorne oder hinten aus –

sondern auch nach vorher oder nachher. Existiert etwas einen Monat lang, hat es

also eine Ausdehnung in der Dimension Zeit, die wir als „einen Monat“

bezeichnen. In dieser Raumzeit ist die Gegenwart nicht anders als die

Vergangenheit oder die Zukunft – sie ist einfach nur ein bestimmter Punkt in der

Raumzeit.

Was ist die Raumzeitkrümmung?

Um die Raumzeit vorstellbar zu machen, stellt man sich gerne ein elastisches

Tuch vor, wie etwa ein Spannbettlaken. Jetzt belasten wir die Raumzeit mit einer

Masse, zum Beispiel mit einem Planeten. Die Masse drückt das Tuch ein und es

bildet sich ein Trichter um den Planeten im Raumzeittuch – wir haben die

Raumzeit gekrümmt. Dadurch verändern sich Raum und Zeit gleichermaßen. Im

Modell mit dem elastischen Tuch rutschen jetzt leichtere Objekte in diesen

Trichter. Für uns erscheint es so, als ob die Objekte eine Schwerkraft erfahren.

Diese Schwerkraft oder Gravitation ist also nur eine Erscheinung der gekrümmten

Raumzeit.

Analog zum Raum wird auch die Zeit gekrümmt. Dies bedeutet, dass die Zeit im

Inneren des Trichters langsamer verläuft als außerhalb des Trichters. Unsere Füße

stehen tiefer im Raumzeittrichter als unser Kopf. Natürlich nicht viel – trotzdem

vergeht die Zeit für unsere Füße langsamer als für unseren Kopf. Nach einer

Lebensdauer von 80 Jahren ist unser Kopf 300 Nanosekunden älter als

unsere Füße.

Was heißt das eigentlich: E=mc2?

Einsteins berühmte Formel E=mc2 ist eigentlich nur ein Bruchteil seiner

Relativitätstheorie. Sie besagt, dass Masse und Energie vergleichbar sind. Jede

Masse kann also auch als Energie verstanden werden und jede Energie auch als

Masse. Etwa bei einem Lichtteilchen: Dieses Teilchen hat keine Masse, sondern

nur Energie. Mit Einsteins Formel kann aus dieser Energie aber eine Masse

berechnet werden. Für die Raumzeit heißt das, dass auch Energie unser

elastisches Raumtuch zeitlich eindellen kann. Je größer die Energie, desto stärker

die Raumzeitkrümmung.

Lange Zeit wurde fälschlicherweise behauptet, dass Einstein mit dieser Formel

den Bau der Atombombe erst möglich gemacht habe. Dies stimmt allerdings

nicht: Mit der Formel konnte lediglich die Energie berechnet werden, die bei


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Kernspaltungen entsteht. Zum Bau einer Atombombe ist sie also nicht geeignet,

sondern lediglich, um die Physik der Kernspaltung zu verstehen.

Was bedeutet das für mich – kann ich Einstein im Alltag spüren?

Auf diese Frage wird häufig ein klassisches Beispiel aus unserem modernen Alltag

herangezogen: das Navigationssystem GPS. Das stimmt auch – zum Teil.

Tatsächlich bewegen sich die GPS-Satelliten so schnell um die Erde, dass die

Atomuhren im Inneren der Satelliten eine andere Zeit messen als wir auf der Erde.

Die Satelliten-Uhren ticken langsamer. Zum Navigieren im dreidimensionalen

Raum benötigt man mindestens drei GPS-Satelliten. Alle drei senden per

Funksignal ihre gemessenen Positionen und Zeiten an uns. Würde unser

Navigationssystem jetzt nur die Information von drei Satelliten bekommen, müsste

es mit Hilfe der Relativitätstheorie die Zeit der Satelliten auf Erdzeit umrechnen –

ansonsten wäre die Positionsbestimmung sehr ungenau. Tut es aber nicht: Unsere

Navis empfangen nicht nur drei, sondern die Signale von vier Satelliten. Und

müssen dadurch eben nicht ständig mit einer irdischen Atomuhr abgleichen – und

so auch keine relativistischen Berechnungen anstellen. Eine kleine Ungenauigkeit

der Position gibt es immer noch, aber die ist vertretbar.

Wo wir Einstein aber wirklich im täglichen Alltag nutzen, sind Radarfallen,

Photovoltaikanlagen und Digitalkameras. Eine Radarfalle muss stets den

relativistischen Zeitfehler zwischen ausgehender und empfangener Radarwelle

berechnen – nur so kann sie die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs berechnen.

Die Technik von Photovoltaikanlagen und Digitalkameras hat zwar mit Einstein zu

tun, aber nichts mit der Relativitätstheorie: Albert Einstein entdeckte den

photoelektrischen Effekt, der dafür sorgt, dass Licht Strom erzeugen kann. So

funktionieren Photovoltaikanlagen. Einstein fand auch heraus, dass

unterschiedlich gefärbtes Licht eine unterschiedliche Menge Strom erzeugt. Der

Bildsensor in einer Digitalkamera nutzt diesen Effekt aus, um ein Farbbild zu

erzeugen. Für genau diese Entdeckung erhielt Albert Einstein 1921 den Nobelpreis

in Physik.


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Impressum:

Herausgeber:

Westdeutscher Rundfunk Köln

Verantwortlich:

Quarks & Co

Lisa Weitemeier

Redaktion:

Daniele Jörg

Gestaltung:

Designbureau Kremer & Mahler, Köln

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