KAPITEL II

Die Spezielle Relativitätstheorie

Transformation von Raum und Zeit

 

15

„Wahre Bewegung“. hatte schon der niederländische Physiker und

Mathematiker CHRISTIAAN HUYGENS im 17. Jahrhundert gesagt, „ist

relative Bewegung“. Man kann nicht unterscheiden zwischen Ruhe

und gleichförmiger Geschwindigkeit: Wenn für einen Beobachter die

Gesetze der Mechanik gelten, dann müssen diese auch für einen zwei-

ten Beobachter erfüllt sein, der sich dem ersten gegenüber mit gleich-

förmiger Geschwindigkeit bewegt. Dieses „klassische“ Relativitäts-

prinzip hielt man im 19. Jahrhundert nur für die Mechanik gültig, nicht

für die Elektrodynamik. Die elektromagnetischen Vorgänge - meinte

man - fänden im absolut ruhenden „Lichtäther“ statt.

EINSTEIN bemerkte 1905. „daß für alle Koordinatensysteme, für wel-

che die mechanischen Gleichungen gelten, auch die gleichen elektro-

dynamischen und optischen Gesetze gelten.“ In diesem und in einem

zweiten Satz (.,Das Licht breitet sich im leeren Raum stets mit ein- und

derselben Geschwindigkeit aus“) ist bereits die gesamte Theorie ent-

halten.

Beide Voraussetzungen waren als miteinander unverträglich angese-

hen worden. EINSTEIN aber konstatierte, „daß man durch systemati-

sches Festhalten an diesen beiden Gesetzen zu einer logisch einwand-

freien Theorie gelange.“ Revidiert werden mußten allerdings ge-

wohnte Vorstellungen über Raum und Zeit.

Was heißt „zwei Ereignisse sind gleichzeitig“? EINSTEIN berief sich auf

die Positivismus genannte Erkenntnistheorie des französischen Philo-

sophen AUGUSTE COMTE, und des Physikers ERNST MACH: Sinn hat ein

Begriff nur, wenn (wenigstens im Prinzip) eine Meßvorschrift angege-

ben werden kann: Zwei Ereignisse an getrennten Orten sollen

„gleichzeitig“ genannt werden, wenn von ihnen ausgehende Licht-

oder Radiosignale einen in der Mitte befindlichen Beobachter zu-

gleich erreichen.

Sein berühmter Gedankenversuch mit einem fahrenden Zug, einem

Beobachter im Zug und einem zweiten am Bahndamm, zeigte EIN-

STEIN folgendes: „Ereignisse, welche in bezug auf den Bahndamm

gleichzeitig sind, sind in bezug auf den Zug nicht gleichzeitig und um-

gekehrt (Relativität der Gleichzeitigkeit). Jeder Bezugskörper (Koor-

dinatensystem) hat seine besondere Zeit.“ Damit revidierte EINSTEIN

die seit ISAAC NEWTON fixierten Begriffe von Raum und Zeit. Weder

die Länge eines starren Stabes noch die Schwingungsdauer einer Uhr

bleibt konstant, wenn man vom „ruhenden“ Koordinatensystem zu

einem mit gleichförmiger (geradliniger) Geschwindigkeit bewegten

übergeht. Ein bewegter Stab erscheint dem ruhenden Beobachter ver-

kürzt (sogenannte Lorentz-Kontraktion), eine bewegte Uhr scheint

langsamer zu gehen (sogenannte Einstein-Dilatation).

15

Die Transformation von Raum und Zeit (Lorentz-Tranformation ge-

nannt) hat eine analoge Transformation von Impuls und Energie zur

Folge. Damit tritt an die Stelle der alten klassischen Mechanik (der

Mechanik NEWTONs) eine neue Relativitätmechanik (die Mechanik

EINSTEINs). Praktisch erkennbar wird diese Modifikation allerdings

erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten.

Wenige Monate später zog EINSTEIN mit der berühmten Formel

E = mc2 den Schluß auf die allgemeine Äquivalenz von Masse und

Energie. Die Spezielle Relativitätstheorie hob die Geltung des bisheri-

gen Satzes von der Erhaltung der Masse und des bisherigen Satzes von

der Erhaltung der Energie auf; an ihre Stelle trat nun ein Verallgemei-

nerter Erhaltungssatz der Energie, bei dem die Ruhemasse der Ener-

gie hinzugerechnet wird.

Jahrzehntelang blieb unentschieden, ob die Verwandlung von Masse

in Energie eine technische Anwendung finden würde. Als dann am

6. August 1945 die erste Atombombe gegen Menschen eingesetzt

wurde, waren die Physiker überrascht Lind entsetzt. Zuvor hatten Ge-

nerationen von Gelehrten seit dem 18. Jahrhundert immer wieder be-

tont, daß jede wissenschaftliche Erkenntnis auch praktische Konse-

quenzen habe. Doch wie stark tatsächlich die Wissenschaft einmal in

das Schicksal der Menschen eingreifen würde, übertraf weit alle Er-

wartungen, auch die des Utopisten JULES VERNE.

Daß Physik auch Weltgeschichte ist, ahnten die jungen Mensehen im

Jahre 1905 noch nicht. LISA MEITNER hörte in Wien mit innerer An-

teilnahme die Vorlesungen von LUDWIG BOLZMANN; seine Begeiste-

rung über die Schönheit und Symmetrie der Naturgesetze sprang über

auf seine fleißigste und zugleich schüchternste Zuhörerin. MAX LAUE be-

sprach in Berlin mit PLANCK die Übungsaufgaben für die Studenten;

OTTO HAHN meldete sich in Montreal bei RUTHERFORD als neuer „Re-

search Fellow“.

ALBERT EINSTEIN war 1905 ein kleiner Angestellter beim Schweizer

Patentamt in Bern, dem sogenannten „Eidgenössischen Amt für gei-

stiges Eigentum“; seine offizielle Bezeichnung dort war „technischer

Experte III. Klasse“. Sobald der Chef des Amtes, der gefürchtete

FRIEDRICH HALLER, durch die Büroräume ging. ließ EINSTEIN regelmä-

ßig eine Gruppe von Papieren in der Schublade verschwinden und

holte rasch andere hervor.

Veröffentlicht hat EINSTEIN seine Relativitätstheorie in den „Annalen

der Physik“ unter dem harmlos klingenden Titel „Zur Elektrodyna-

mik bewegter Körper“. Anfang des Jahrhunderts galten die (klassi-

sche) Mechanik und die Elektrodynamik als die beiden großen Ge-

dankengebäude der Physik. EINSTEIN hatte nun ihre Unverträglichkeit

 

16

Brief Einsteins an Johannes Stark vom 14. Dezember 1908: Keine Zeit zur Ab-

fassung einer Buches über die Relativitätstheorie und keine Zeit zum Besuch der

Naturforscherversammlung 1908 in Köln.

 

16

aufgedeckt und hatte damit auch die Ursache der bisher unerklärli-

chen Schwierigkeiten gefunden, die bei der Behandlung der elektro-

magnetischen Phänomene bei schnellbewegten Körpern auftraten,

„Zwischen der Konzeption der Idee der Speziellen Relativitätstheorie

und der Beendigung der betreffenden Publikation sind fünf oder sechs

Wochen vergangen“, berichtete EINSTEIN später seinem Biographen

CARL SEELIG: „Es würde aber kaum berechtigt sein, dies als Geburts-

tag zu bezeichnen, nachdem doch vorher die Argumente und Bau-

steine jahrelang vorbereitet worden waren.“

Kein Physiker kannte damals den Namen ,EINSTEIN“. Fast erstaunlich

darum, daß die „Annalen der Physik“ ohne Zögern die Arbeit veröf-

fentlichten. Vielleicht hat PAUL DRUDE das Manuskript seinem Berli-

ner Kollegen MAX PLANCK vorgelegt, denn PLANCK wirkte bei der Re-

daktion als „theoretischer Beirat“ mit. Sicher ist das jedoch nicht. Oft

hat DRUDE als verantwortlicher Redakteur allein entschieden. Wie

dem auch sei: MAX PLANCK hat die Arbeit EINSTEINs (entweder kurz

vor oder kurz nach der Veröffentlichung) gelesen - sehr genau gele-

sen. Es faszinierte ihn, daß die von ihm 1899 entdeckte Naturkon-

stante h, das Plancksche Wirkungsquantum, „auch dann invariant

bleibt, wenn man gemäß dem Relativitätsprinzip von einem vorhan-

denen Koordinatensystem auf ein bewegtes übergeht, wobei duch

fast alle übrigen Größen wie Raum, Zeit, Energie sich ändern.“

PLANCK referierte über das Thema beim physikalischen Mittwochs-

Kolloquium, bei der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und bei

der Naturforscherversammlung in Stuttgart 1906.

Als WALTER KAUFMANN durch Versuche über die Ablenkung von Ka-

thodenstrahlen in magnetischen und elektrischen Feldern die Spe-

zielle Relativitätstheorie vermeintlich widerlegt hatte, nahm Planck

die Mühe auf sich. die in die Experimente eingehenden Voraussetzun-

gen zu analysieren. Lange Zeit später, als die Theorie längst anerkannt

war, galt dann, nachdem auch die experimentelle Technik wesentlich

verbessert werden konnte, der Kaufmannsche Versuch - sozusagen

gar nicht im Sinne des Erfinders - als einer der vielen empirischen Be-

weise.

 

16

Max Laue: „Als ich 1905 nach Berlin zurückkehrte, hörte ich in einem der ersten

physikalischen Kolloquien des Wintersemesters Plancks Referat über die im Sep-

tember erschienene Arbeit ‘Zur Elektrodynamik bewegter Körper“. Fremdartig

mutete mich die Transformation von Raum und Zeit an, welche die darin ver-

kündete Relativitätstheorie vornahm, und die Skrupel, welche andere später laut

geäußert haben, sind mir keineswegs erspart geblieben. “

 

17

Titelseite von Laues Buch: „Das Relativitätsprinzip“, Braunschweig (erste auf-

lage 1911). „Ich wurde“, schrieb Laue, „der Autor der ersten zıusammenfassen-

den Darstellung über die Relativitätstheorie. Ich schrieb sie in einem kleinen

Bann-lhaus, das am Ufer des herzoglichen Parks in Feldafing auf Pfählen im

Wasser des Starnberger Sees [Oberbayern ] stand und einen herrlichen Blick auf

Herzogstand, Heimgarten, Benediktenwand und die Berge des Karwendels ge-

währte. So gut habe ich es nie wieder getroffen.“

 

17

Das starke Interesse des Professors stimulierte seinen Assistenten

MAX LAUE. „Fremdartig mutete mich die Transformation von Raum

und Zeit an“, berichtete dieser, „und die Skrupel, welche andere spä-

ter laut geäußert hatten, sind mir keineswegs erspart geblieben.“ Im

Sommer 1906, in den Semesterferien, fuhr LAUE von Berlin in die

Schweiz, um einige Viertausender zu besteigen und um EINSTEIN ken-

nenzulernen. „Gemäß brieflicher Verabredung“, berichtete LAUE auf

Anfrage von CARL SEELIG, „suchte ich ihn im Amt für geistiges Eigen-

tum auf. Im allgemeinen Empfangsraum sagte mir ein Beamter,

ich solle wieder auf den Korridor gehen, EINSTEIN würde mir dort ent-

gegenkommen. Ich tat das auch, aber der junge Mann, der mir ent-

gegenkam, machte mir einen so unerwarteten Eindruck, daß ich nicht

glaubte, er könne der Vater der Relativitätstheorie sein. So ließ ich ihn

an mir vorübergehen, und erst als er aus dem Empfangszimmer zu-

rückkam, machten wir Bekanntschaft miteinander. Was wir bespro-

chen haben, weiß ich nur noch in Einzelheiten. Aber ich erinnere

mich, daß der Stumpen, den er mir anbot, mir so wenig schmeckte,

daß ich ihn ,versehentlich“ von der Aarebrücke in die Aare hinunter-

fallen ließ.“ Zusammen gingen die beiden Männer durch die Stadt,

Von der Terrasse vor dem Bundeshaus, diesem berühmten Aussichts-

punkt, sahen sie das Berner Oberland. LAUE sprach begeistert von sei-

nen Gebirgstouren, doch EINSTEIN hatte keinen Sinn dafür: „Wie

man da oben herumlaufen kann, verstehe ich nicht.“

Das nächste Zusammentreffen der beiden Männer, die später, in den

zwanziger Jahren, zu engen Freunden werden sollten, ergab sich dann

wieder auf der Naturforscherversammlung in Salzburg. In der Zwi-

schenzeit aber arbeiteten die Ideen bei LAUE weiter und im Juli 1907

trat er mit einem empirischen Beweis der Speziellen Relutivitätstheorie

hervor, der, für ihn bezeichnend, seinem Lieblingsgebiet, der Optik,

Entnommen war. Für die Lichtgeschwindigkeit in strömcndem Wasser

hatte ARMAND HIPPOLYTE FIZEAU 1851 in zahlreichen Versuchen eine

nach der klassischen Physik unverständliche Fomıel gefunden. Wenn

man sich das Licht als Wellenerscheinung im Äther verstellt, so kann

man annehmen, daß der Äther die Bewegung des strömenden Wassers

nicht mitmacht, und fiir die Lichtgeschwindigkeit müßte dann u = c/n

gelten. Setzt man statt dessen voraus, daß der Lichtather durch die

Bewegung des Wassers mitgenommen wird, dann ist u = c/n ± v die

zutreffende Lichtgeschwindigkeit. Die Experimente zeigen aber we-

der das eine noch das andere, sondern merkwürdigerweise eine teil-

weise „Mitührung“ des Äthers mit einem Bruchteil der Wasserge-

schwindigkeit v, dem sogenannten Frexrıelsc/ıeıı Mitfülhrungskoeffi-

zienten (1-1/n2).

 

17

Das Bootshaus, in dem Max Laue im Sommer 1910 sein Buch über „Das Relati-

vitätsprinzip“ schrieb.

 

18

Der berühmte Vortrag von Hermann Minkowski über „Raum und Zeit“ am

21.September 1908 auf der Versammlung der deutschen Naturforscher und

Ärzte in Köln, erste Seite.

 

18

Die Spezielle Relativitätstheorie EINSTEINS kennt nun nicht mehr die

bisher als selbstverständlich vorausgesetzte Addition oder Subtrak-

tion der Geschwindigkeiten, sondern wendet ein besonderes ,Addi-

tionstheorem“ an. LAUE zeigtc 1907, daß das Einsteinsche Additions-

theorem zwangslos die Formel von FIZEAU mit dem bisher unverständ-

lichcn Fresnelschen Mitführungskoeffizienten ergibt. Damit hatte er

einen schönen experimentellen Beweis für dic EINSTEINsche Theorie

beigebracht. Wichtiger für die Anerkennung aber war die gruppentheoretische

Struktur der Theorie. Für die Göttinger Mathematiker FELIX KLEIN

und HERMAN MINKOWSKI war das Einsteinsche Relativitätsprinzip

eine Offenbarung. FELIX KLEIN hatte in seinem „Erlanger Programm"

von 1872 die verschiedenen Geometrien nach den zugrundeliegenden

Transformationsgruppen charakterisiert und bemerkte nun, daß die

Betrachtung auf die Physik ausgedehnt werden konnte. Die klassische

Mechanik und die Elektrodynamik stehen gruppentheoretisch be-

trachtet im Widerspruch. EINSTEINs Relativitätstheorie läuft gerade

Darauf hinaus, auch für die Mechanik die höher-symmetrische Gruppe

der Lorentz-Tranformationen einzufiihren.

HERMANN MINKOWSKI stellte die Gesetze besonders elegant dar durch

Einführung der Zeit als vierte (imaginäre) Koordinatc x4=ict. Die

Lorentz-Transformationen sind dann einfach die Drehungen und

Translationen dieser vierdimensionalen „MINKOWSKIschcn Welt“,

Das Referat MINKOWSKIs beider Versammlung der Deutschen Natur-

forscher und Ärzte am 21. September 1908 in Köln (genau ein Jahr

vor EINSTEINs Salzburger Vortrag) besiegelte den endgültigen Erfolg

der Relativitätstheorie. Die ersten Worte sind seither von Mathemati-

kern und Physikern unzählige Male wiederholt worden: „Die An-

schauungen über Raum und Zeit, die ich Ihnen entwickeln möchte,

sind auf experimentell-physikalischem Boden erwachsen. Darin liegt

ihre Stärke, Ihre Tendenz ist eine radikale. Von Stund an sollen Raum

für sich und Zeit für sich Völlig zu Schatten herabsinken und nur noch

eine Art Union der beiden soll Selbständigkeit bewahren."

Zahlreiche Aufforderungen ergingen nun an EINSTEIN, er möge doch

eine zusammenfassende Darstellung schreiben. „Leider ist es mir ganz

unmöglich jenes Buch zu verfassen“, antwortete er auf eine solchc An-

frage, „weil es mir unmöglich ist, die Zeit dazu zu finden. Jeden Tag

anstrengende Arbeit auf dem Patentamt, dazu viele Korrespondenz

und Studien... Mehrere Arbeiten sind unvollendet, weil ich die Zeit

für deren Abfassung nicht finden kann.“

Da EINSTEIN nicht zu gewinnen war, trat der Verlag Friedrich Vieweg

& Sohn in Braunschweig an MAX LAUE heran. So wurde LAUE der Au-

tor der ersten zusammenfassenden Darstellung über die Relativitäts-

theorie.

Bald folgten ähnliche Darstellungen anderer Autoren; nach dem Er-

sten Weltkrieg schwoll die Literatur über dic Relativitätstheorie zu ei-

ner unüberschbaren Flut an. Eine 1924 erschienene Bibliographie

zählte 3775 Arbeiten auf, davon 1435 in deutscher, 1150 in englischer

und 690 in französischer Sprache.

Durch den Erfolg dcr Relativitätstheorie hatte ihr Schöpfer bei den

Fachkollegen hohes Ansehen gewonnen. Damit war verbunelen, daß

man nun seinen anderen Arbeiten ebenfalls Aufmcrksamkcit schenk-

1. So wurde mancher Physiker veranlaßt, sich nun auch mit dem

Quantenproblem zu beschäftigen, das EINSTEIN die fundamentalste

Schwierigkeit der Physik nannte.

 

19

Vergleichende Betrachtungen über neuere geometrische Forschungen

von Dr. Felix Klein, o.ö.. Professur der Mathematik an der Universitat Erlangen.

1872. Das berühmte „Erlanger Programm" (1872) von Felix Klein: Die Bedeutung

für die Physik erwies sich durch Einsteins Relativitätstheorie.

 

19

Albert Einstein als „Experte III. Klasse” im Schweizer Patentamt in Bern. Der

Physikhistoriker Hans Schimank hat es als psychologisches Gesetz bezeichnet,

daß einem Forscher in der theoretischen Physik nur ein einziges Mal ein epoche-

machender Durchbruch gelingen kann. Für Einstein galt dies nicht. Zwischen

1905 und 1925 hat er durch eine ganze Reihe grundlegend neuer Gedanken

maßgeblich zur Entwicklung der Physik beigetragen.

 

20

Solvay-Kongreß 1911 in Brüssel: Wie sich noch heute Staatsmänner in einer po-

litischen oder wirtschaftlichen Krise versammeln, trafen sich 1911 die Physiker,

um im kleinen Kreis die nötigen Reformen der physikalischen Grundlagen zu dis-

kutieren. Die internationale Quantenkonferenz ist als „erste Solvay-Tagung“ in

die Geschichte eingegangen.

Sitzend von links nach rechts: Nernst, Brillouin, der Industrielle Ernest Solvay

als Gastgeber, Lorentz, Warburg, Perrin, Wilhelm Wien, Madame Curie, Pain-

care. Stehend von links nach rechts: Goldschmidt, Planck, Rubens, Sommer-

feld, Lindemann (der spätere Lord Cherwell), Maurice de Broglie, Knudsen,

Hasenöhrl, Hostelet, Herzen, Jeans, Rutherford, Kamerlingh-Onnes, Einstein

und Langevin. Bis auf den Gastgeber und seine drei Sekretäre sind dies die inter-

national führenden Physiker des Jahres 1911.

KAPITEL III

 

Einsteins Quantenkonzept

Die Natur macht Sprünge

 

Der berühmte Band 17 der „Annalen der Physik“ vom Jahre 1905, in

dem EINSTEIN sein Relativitätsprinzip veröffentlichte, enthält noch

zwei weitere wichtige Arbeiten EINSTEINs. Die Abhandlung über die

Brownsche Molekularbewegııng brachte auf rein klassischer Grundla-

ge, das heißt ohne Benutzung neuer, noch umstrittener Hypothesen,

einen Beweis für die atomare Struktur der Materie. In Flüssigkeiten

suspendierte Teilchen von mikroskopisch sichtbarer Größe führen in-

folge der Wärmebewegung Schwankungen aus, die mit dem Mikro-

skop nachgewiesen werden können. Für die Verschiebungen, die diese

Teilchen erleiden, leitete EINSTEIN einen Ausdruck ab, der von JEAN

PERRIN experimentell bestätigt wurde. Mit abnehmender Teilchen-

größe wächst die Verschiebung an, die Extrapolation auf die Molekül-

größe liefert die Wärmebewegung der Moleküle. Die Extrapolation

zeigt, daß das unsichtbare Molekül ebenso reale Existenz hat wie das

im Mikroskop beobachtbare suspendierte Teilchen. Damit waren die

Einwände der Positivisten ERNST MACH und WILHELM OSTWALD gegen

die Existenz der Moleküle endgültig erledigt.

Die revolutionärste der drei Arbeiten EINSTEINs war aber der Aufsatz

über die Lichtquantenhypothese, der unter dem Titel erschien: „Über

einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heu-

ristischen Gesichtspunkt.“ MAX PLANCK hatte fünf Jahre zuvor zum

ersten Mal von einem Quantenansatz Gebrauch gemacht, um zu einer

Ableitung des Gesetzes der sogenannten schwarzen Wärmestruhlung

zu gelangen, Die Annahme, daß elektromagnetische Resonatoren

(eine Art idealisierter Atome) Energie nur in diskreten Portionen

e = h x nü aufnehmen und abgeben, war aber unverstanden geblieben.

PLANCK wußte sehr wohl, daß er noch eine Erklärung schuldete, und er

wußte, daß es nicht leicht sein Würde, diese Erklärung zu finden. Die

ungeheuren Konsequenzen jedoeh ahnte er nicht,

EINSTEIN blickte tiefer. Er formulierte klar, daß die elektromagneti-

sche Strahlung im Grenzfall niedriger Temperaturen und kleiner Wel-

lenlängen nicht wie üblich als Wellenerscheinung aufgefaßt werden

darf, sondern daß statt dessen die Vorstellung von unabhängigen

„Lichtkorpuskeln“ angemessen ist. Tatsächlich hat in diesem Fall die

Wärmestrahlung Eigenschaften wie ein in einem Behälter befindliches

ideales Gas (zum Beispiel Luft oder Wasserstoff), das aus einer Viel-

zahl von schnellbewegten Molekülen besteht.

Die Hypothese der Lichtquantcn war ein revolutionäres Konzept. Es

setzte EINSTEIN in die Lage, den beherrschenden Einfluß der von

PLANCK in den Gesetzen der Wärmestrahlung entdeckten Naturkon-

stanten h auch bei anderen physikalischen Phänomenen zu erkennen.

Nun endlich wurde es klar, daß das Wirkungsquantum nicht nur eine

auf den Strahlungshohlraum beschränkte Bedeutung besaß, sondern

in weiten Bereichen der Natur eine Rolle spielt: EINSTEIN hat das Wir-

kungsquantum aus der Enge des Strahlungshohlraurnes befreit und in

das weite Feld der Physik gefiihrt.

Erstaunlicherweise war und blieb PLANCK, der so angetan war von

EINSTEINs Relativitätstheorie, für Jahre skeptisch gegenüber der

Einsteinschen Lichtquantenhypothese. „Ich suche die Bedeutung des

elementaren Wirkungsquantums nicht im Vakuum“, schrieb PLANCK

am 6. Juli 1907 an EINSTEIN, „sondern an den Stellen der Absorption

und Emission und nehme an, daß die Vorgänge irn Vakuum durch die

Maxwellschen Gleichungen genau dargestellt werden.“

EINSTEIN betrachtete mit seiner später fast sprichwörtlich gewordenen

Unabhängigkeit des Denkens und seiner intellektuellen Eigenwillig-

keit die elektromagnetische Lichttheorie und die Mechanik nieht als

ehrwürdige Bauwerke, an die man „so konservativ wie möglich“ her-

angehen müsse. Er hielt vielmehr die Maxwellschen Gleichungen der

Elektrodynamik von vornherein nur gültig für die zeitlichen und

räumlichen Mittelwerte. Im Falle der Materie käme man ja auch

manchmal, zum Beispiel in der Elastizitätstheorie, mit der Kontinu-

umsvorstellung aus und müsse erst bei feineren Effekten die körnige

Struktur berücksichtigen.

So ist es nach EINSTEIN auch in der Elektrodynamik: Für die optischen

Interferenzen gelten die Maxwelschen Gleichunen, aber „bei den die

Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden Erscheinungs-

gruppen“ ist die korpuskulare Natur des Lichtes in Rechnung zu stel-

len.

„PLANCK ist auch sehr angenehm in der Korrespondenz“, meinte EIN-

STEIN 1908, „nur hat er den Fehler, sich in fremde Gedankengänge

schwer hineinzufinden. So ist es erklärlich, daß er mir auf meine letzte

Strahlungsarbeit ganz verkehrte Einwände macht. Gegen meine Kri-

tik aber hat er nichts angeführt. Ich hoffe also, daß er sie gelesen und

anerkannt hat. Diese Quantenfrage ist so ungemein wichtig und

schwer, daß sich alle darum bemühen sollten.“

 

22

Protokoll der berühmten Sitzung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft

am 14. Dezember 1900. Hier legte Planck zum ersten Mal seinen Quantenansatz vor.

 

22

Einstein jedenfalls bemühte sich ungeheuer. Seine Betrachtungen

demonstrierten immer aufs Neue - für uns heute überzeugend - die

Doppelnatur des Lichtes als Welle und Korpuskel. Daneben leitete er

handfeste physikalische Folgerungen her, die sich im Experiment prü-

fen ließen. Dazu gehörte schon in der ersten Arbeit von 1905 der Pho-

tueffekt, die Herauslösung von Elektronen aus Metalloberflächen

durch einfallendes kurzwelliges Licht, und 1907 die Theorie der spe-

zifischen Wärme.

Von PLANCK, der den ersten Schritt in der Entwieklung der Quanten-

tlıearie getan hatte, kamen f wegen seiner grundkonservativen Ein-

stellung » kaum neue Impulse. Wo in den folgenden Jahren ein Fort-

schritt zu sehen war, ging er - direkt oder indirekt - von EINSTEIN aus.

EINSTEINs Ansehen, das er sich vor allem durch die Begründung der

Speziellen Relativitätstheorie verschafft hatte, veranlaßte nun manchen

Kollegen doch, sich auch mit dem Quantenproblem ernsthaft zu be-

schäftigen. Heute betrachten wir Relativitätstheorie und Quantentheo-

rie als zuständig für getrennte Erfahrungsbereiche: Die spezielle Rela-

tivitätstheorie basiert auf der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit c,

während die Quantentheorie als Konsequenz der Naturkonstanten

h ungleich 0 erscheint. Haben also die beiden wichtigsten physikalischen

Theorien des 20. Jahrhunderts auch keinen logischen Zusammen-

22

hang, so war doch ihre Entwicklung historisch eng verknüpft. Die Er-

folge des Relativitätsprinzips bewirkten eine schnellere Entwicklung

der Quantentheorie.

Zu den jungen Physikern, die sich, von EINSTEIN veranlaßt, mit dem

Quantenproblem beschäftigten, gehörte auch der SOMMERFELD-Schü-

ler PETER DEBYE. In Salzburg hatte EINSTEIN abermals darauf hinge-

wiesen, daß PLANCK seine Strahlungsformel aus zwei Grundgleiehun-

gen abgeleitet hatte, die irn Widerspruch zueinander stehen. Ganz of-

fensichtlich war die Formel trotzdem richtig. Im März 1910 fand DE-

BYE eine andere Ableitung, die zudem den Vorzug hatte, kurz und

durchsichtig zu sein.

Das brachte ARNOLD SOMMERFELD in Zugzwang. Für alle Arbeiten sei-

ner Mitarbeiter fühlte er sich verantwortlich. Mit der Quantenfrage

war er aber mit sich noch nicht im reinen. Bisher hatte er es mit PLANCK

gehalten und war den scheinbar allzu kühnen Interpretationen entge-

gengetreten. War dieser Standpunkt noch vernünftig?

Wie man in seinem Institut verwundert registrierte, benötigte SOM-

MERFELD plötzlich eine Erholung und fuhr in die Schweiz. „Seine Vor-

stellung von Erholung war“, kommentierte der SOMMERFELD-Schüler

PAUL S. EPSTEIN, „den ganzen Tag mit EINSTEIN über Physik zu disku-

tieren.“ In einem Brief berichtete EINSTEIN, daß SOMMERFELD eine

23

ganze Woche dageblieben sei, „um die Lichtfrage und einiges aus der

Relativität zu verhandeln. Seine Anwesenheit war ein wahres Fest für

mich, Er hat sich in weitgehendem Maße meinen Gesichtspunkten an-

geschlossen.“

Mit SOMMERFELD war ein Mann von der Quantentheorie überzeugt

worden, den man heute in der Meinungsforschung „Multiplikator“

nennen würde. Anders als PLANCK hatte SOMMERFELD einen großen

Kreis von Schülern, mit denen er in ständigem Gedankenaustausch

stand und die er beeinflußte. So war man in München seit etwa Anfang

1911 auch im Kreis der Jüngeren eifrig bemüht, das Ouantenrätsel zu lösen.

Noch vor SOMMERFELD wurde von EINSTEIN eine weitere wichtige Per»

sönlichkeit für das Quantenkonzept gewonnen, die ebenso absolut

und autoritativ über ein großes Institut herrschte: WALTHER NERNST,

NERNSTS Interesse galt der chemischen Thermodynamik. Er hatte

l906 den dritten Hauptsatz der Thermodynamik aufgestellt und aus

diesem die Folgerung abgeleitet, daß die spezifische Wärme aller

Stoffe bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt einem konstanten

Grenzwert zustreben muß. So hatte NERNST schon auf breiter Front die

Messungen über die spezifische Wärme bei tiefen Temperaturen in

Angriff genommen, als er auf die EINSTEINsche Theorie der spezifi-

schen Wärme aufmerksam wurde.

23

Nach Semesterende, im März 1910, eilte NERNST mit seinen Meßer-

gebnissen nach Zürich zu EINSTEIN. Beide Männer waren ausgespro-

chen optimistisch und erfreut über die Ergebnisse der Prüfung. In ei-

nem Brief konstatierte EINSTEIN: „Die Quantentheorie steht mir fest.

Meine Voraussagen in betreff der spezifischen Wärme scheinen sich

glänzend zu bestätigen.“

Neben der Wärmestrahlung besaß man nun ein zweites Gebiet expe-

rimenteller Erfahrung, das mit Hilfe des Quantenkonzepts, und nur

mit diesem, verstanden werden konnte. Das Quantenkonzept ruhte

nun, nach einem Wort SOMMERPELDS, auf „zwei tragfähigen Grund-

pfeilern“ und EINSTEIN stellte fest, daß NERNST das Problem aus sei›

nem „theoretischen Schattendasein befreit“ habe.

 

23

Albert Einstein

23

Arnold Sommerfeld im Hörsaal bei der Darlegung der Bohr-Sommerfeldschen

Atommodells (um 1916). Sommerfeld war ein hervorragender akademischer Lehrer,

der Generationen von Physikern herangebildet hat.

 

24

Am 15. Oktober 1909 gab EINSTEIN seine Tätigkeit am Patentamt in

Bern auf und wurde außerordentlicher Professor an der Universität

Zürich. Nun endlich wurde die Wissenschaft zu seinem Beruf.

Am 28. Juli kam sein zweiter Sohn EDUARD zur Welt; der erste Sohn

HANS ALBERT war inzwischen sechs Jahre alt geworden. Die Einkünfte

blieben auch in Zürich bescheiden, und EINSTEIN pflegte gegenüber

seiner Frau MILEVA zu scherzen: „In meiner Relativitätstheorie bringe

ich an jeder Stelle des Raumes eine Uhr an; aber in meiner Wohnung

fällt es mir schwer, auch nur eine einzige aufzustellen.“

Im Laufe des Jahres 1910 wurde Eingeweihten klar: Nicht nur mit der

Speziellen Relativitätstheorie hatte EINSTEIN das Richtige getroffen;

auch seine - ursprünglich als zu radikal geltenden - Auffassungen auf

dem Quantengebiet waren erstaunlich erfolgreich. Der Wahrheitsge-

halt seines „heuristischen Prinzips“ mußte beträchtlich sein.

lm Juni 1910 begann WALTHER NERNST mit den Vorbereitungen zu ei-

ner „internationalen Quantenkonferenz“, die den führenden Fach- kollegen

die Gelegenheit geben sollte, die Grundlagen der Wissen-

schaft neu zu durchdenken. Nach dem Willen von NERNST sollte ein

Markstein in der Entwicklung der Physik gesetzt werden, und dieses

Ziel hat er vollkommen erreicht. Durch die vorhergehenden Diskus-

sionen, durch die Brüsseler Tagung selbst, die als Erste Solvay-Konfe-

renz in die Geschichte einging, und durch die offiziellen und inoffiziel-

len Kongreßberichte erkannten viele bisher abseits stehende Kolle-

gen, daß man mitten in einer wissenschaftlichen Umwälzung stand und

daß maßgeblichen Anteil daran ALBERT EINSTEIN hatte.

Das Quantenkonzept überschritt die Grenzen des deutschen Sprach-

gebietes. In Frankreich waren es die jungen Physiker LEON BRILLOUIN

und Louis DE BROGLIE; in England WILLIAM NICHOLSON und NIELS

BOHR, die tief beeindruckt wurden. Niels Bohr war nach seiner Promo-

tion in Kopenhagen mit einem Stipendium nach Cambridge und Man-

chester gegangen. Von Rutherford erhielt er einen lebendigen Bericht

über die Brüsseler Tagung.

Die Tradition der englischen Naturwissenschaft bildete einen frucht-

baren Boden für das Quantenkonzept, Hier hatte schon seit langem,

anders als in Deutschland, das Problem der Atomkonstitution im Mit-

telpunkt des Interesses gestanden. Es war dann Bonn, dem im Februar

und März 1913 der Durchbruch mit seinem quantentheoretischen

Atommodell gelang.

Das alles hatte EINSTEIN in Bewegung gesetzt. „Der große Mann ist ein

solcher“, sagte JACOB BURCKHARDT, „ohne welchen die Welt uns un-

vollständig schiene, weil bestimmte große Leistungen nur durch ihn

innerhalb seiner Zeit und Umgebung möglich waren und sonst un-

denkbar sind; er ist wesentlich verflochten in den großen Hauptstrom

der Ursachen und Wirkungen.“ Die Geschichte der Quantentheorie,

das heißt des wichtigsten Teils in der Entwicklung des modernen phy-

sikalischen Denkens, können wir uns ohne EINSTEIN nicht mehr vor-

stellen.

1912 war das Ansehen EINSTEINs geradezu ins Sagenhafte gewachsen,

ARNOLD SOMMERFELD drückte in einem Brief an EINSTEIN aus, daß er

nun die prinzipielle Klärung des Quantenrätsels von ihm erhoffe. EIN-

STEIN aber hatte sich einem neuen Problem zugewandt: der Erweite-

rung der Speziellen Relativitätstheorie. „Mein Schreiben an EINSTEIN

war vergeblich“, berichtete SOMMERFELD bedauernd an DAVID HIL-

BERT: „EINSTEIN steckt offenbar so tief in der Gravitation, daß er für al-

les andere taub ist.“

Es sollte aber noch drei Jahre dauern, bis die neue Theorie vollständig

durchdacht war, die dann als Allgemeine Relativitätstheorie in die

Geschichte einging. Im Jahre 1912 war es nicht ALBERT EINSTEIN, der

Aufsehen erregte in der Wissenschaft, sondern der Privatdozent MAX

LAUE in München.

 

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Niels Bohr und Max Planck: zwei Pioniere der Quantentheorie. „Für alle Zeiten

wird die Theorie der Spektrallinien den Namen Bohr' tragen“, so hieß es im

Vorwort von Sommerfelds Buch „Atombau und Spektrallinien“: „Aber noch

ein anderer Name wird dauernd mit ihr verknüpft rein, der Name Plancks.“

 

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Manuskript Einsteins (2. Januar 1911) mit der Bemerkung über eine „funda-

mentale Schwierigkeit“ in der Quantentheorie.

 

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Das erste Laue-Diagramm (links) und die Postkarte Einsteins vom 10. Juli 1912.

In der Begeisterung über seine Entdeckung sandte Laue an die Kollegen

die Photographie des ersten Diagrammes. Herzlich gratulierte Albert Einstein:

“Ihr Experiment gehört zum Schönsten, was die Physik erlebt hat.”