Wissenschaft

4 alltägliche Gegenstände, bei denen Einstein seine Finger im Spiel hatte

Neben seiner Arbeit an der Relativitätstheorie hat der Physiker auch die wissenschaftlichen Grundlagen für Papierhandtücher, Laser und andere verbreitete Produkte gelegt. Freitag, 3 November

Von Mitch Waldrop

Albert Einstein ist zu Recht berühmt für die Entwicklung der Relativitätstheorie, die unser Verständnis von Raum, Zeit und Gravitation revolutioniert hat. Das Prinzip der Relativität hat uns gezeigt, dass Masse und Energie äquivalente Größen sind, die zueinander in Zusammenhang stehen. Diese Tatsache formulierte er in seiner Gleichung E = mc², der bekanntesten Gleichung der Geschichte.

Aber die Relativität ist nur ein Teil des erstaunlichen Erbes, das Einstein uns hinterlassen hat. Er war ebenso einfallsreich, wenn es um die Physik der Atome, Moleküle und des Lichts ging. Heutzutage begegnen wir technologischen Andenken an sein Genie, wo immer wir auch hinsehen. (“10 Dinge, die ihr (wahrscheinlich) nicht über Einstein wusstet”)

Hier haben wir ein paar alltägliche Produkte zusammengetragen, die Einsteins wissenschaftliche Beiträge jenseits der Relativitätstheorie verkörpern.

PAPIERHANDTÜCHER

Die Erfindung von Papierhandtüchern geht auf das Konto der Scott Paper Company aus Pennsylvania. Sie führten das Einwegprodukt 1907 als hygienische Alternative zu Stoffhandtüchern ein. In seinem allerersten je veröffentlichten Artikel analysierte Einstein die sogenannte Dochtwirkung: das Phänomen, welches dafür sorgt, dass Papierhandtücher Flüssigkeit aufsaugen, obwohl die Schwerkraft sie nach unten ziehen will.

Dieser Vorgang sorgt auch dafür, dass heißes Kerzenwachs in den Docht gezogen wird (daher der Name). Diese Eigenschaft nennt man auch Kapillarwirkung. Sie ist dafür verantwortlich, dass der Pflanzensaft in einem Baum aufsteigen und auch die oberen Zweige erreichen kann, und dass Tinte in die Spitze eines Füllfederhalters fließt. Einsteins 1901 veröffentlichte Abhandlung war der Versuch zu erklären, wie diese Anziehung funktionierte. Es war kein besonders guter Versuch, wie er später selbst zugab. Damals argumentierte er, dass Wassermoleküle durch eine der Schwerkraft ähnlichen Kraft von den Molekülen in den Wänden von Röhren angezogen würden. Das ist so allerdings nicht richtig.

Trotzdem demonstrierte seine erste Veröffentlichung, dass Einstein die Vorstellung von Atomen und Molekülen bereits akzeptierte – deren Existenz galt damals noch als kontrovers. Weil die winzigen, hypothetischen Masseteilchen viel zu klein waren, um sie zu sehen oder zu messen, behaupteten viele ältere und angesehene Wissenschaftler, dass sie kein Teil der strengen Wissenschaft sein konnten.

Einstein schlug sich auf die Seite jüngerer und radikalerer Physiker, die glaubten, die Kapillarwirkung sei nur eines von vielen Phänomenen, das durch die Interaktion zwischen Atomen und Molekülen erklärt werden konnte. Zumindest in diesem Sinne hatte er also recht und half so dabei, die wissenschaftliche Grundlage für moderne Papierhandtücher zu legen.

PROGNOSEN FÜR DEN AKTIENMARKT

Die Handelsunternehmen der Wall Street unterhalten ganze Armeen von Mathematikern, welche die tägliche Flut und Ebbe der Aktienkurse auswerten. Dabei benutzen sie die hochentwickeltsten Werkzeuge, die ihnen aktuell zur Verfügung stehen. Wenn diese Matheasse auch nur den kleinsten Hinweis darauf entdecken, welche Preise ansteigen werden, könnten ihre Arbeitgeber Milliarden verdienen.

Aktienkurse folgen allerdings einer Zufallsbewegung: Sofern nicht gerade irgendein außergewöhnliches Ereignis auftritt, sind ein Steigen und ein Fallen der Preise an jeden beliebigen Tag ungefähr gleich wahrscheinlich. Falls es tatsächlich Muster gibt, die man ausnutzen kann, dann müssen sie extrem subtil und schwer zu finden sein – was der Grund dafür ist, warum Finanzmathematiker so gut bezahlt werden.

Ein Teil der Mathematik, die für diese heiklen Analysen des Aktienmarkts angewendet wird, geht auf Einstein zurück. (“Darum hatte das FBI eine 1.400 Seiten dicke Akte über Einstein”)

Er versuchte, eine merkwürdige Beobachtung er erklären, die der Botaniker Robert Brown erstmals 1827 gemacht hatte. Brown blickte durch sein Mikroskop und sah, dass die Staubpartikel in einem Wassertropfen ziellos umherwirbelten. Diese Brownsche Bewegung, wie sie getauft wurde, konnte nicht durch eine etwaige eigenständige Bewegung der Partikel erklärt werden, die schließlich nicht lebten. Warum also bewegten sie sich?

Eine vollständige Erklärung ließ bis 1905 zur Veröffentlichung von Einsteins Abhandlung über das Thema auf sich warten. Der Physiker sinnierte noch immer über Atome und Moleküle und begriff, dass die sichtbaren Staubpartikel von unsichtbaren Wassermolekülen quasi angerempelt wurden. Im Schnitt, so überlegte er, würden solche Zusammenstöße aus jeder Richtung gleichmäßig passieren. Aber es würden zu jedem beliebigen Zeitpunkt mehr Wassermoleküle an eine Seiter des Partikels aufschlagen als an der anderen. Dadurch würden sie dem Partikel gewissermaßen einen Tritt in eine zufällige Richtung versetzen.

Einstein formulierte diese Einsicht in einer Gleichung, welche die ruckartigen, unregelmäßigen Bewegungen mathematisch beschrieb. Einsteins Veröffentlichung zur Brownschen Bewegung gilt weithin als erster unwiderlegbarer Beweis für die Existenz von Atomen und Molekülen – und sie dient auch heute noch als Grundlage für einige Aktienmarkt-Prognosen.

SOLARENERGIE

Im März 1958 schoss die U.S. Navy eine Sphäre namens Vanguard I von der Größe einer Grapefruit in eine Umlaufbahn um die Erde. Mitunter war das Interesse der Menschen an diesem kleinen Satelliten so groß, weil er der erste Satellit war, der mit einer futuristischen Technologie namens Solarzellen angetrieben wurde. Die kleinen, glänzenden Halbleiterplatten wandelten Sonnenlicht in Elektrizität um.

Heutzutage werden beinahe alle von den Hunderten von Satelliten, die um die Erde kreisen, mit Solarzellen betrieben – ebenso wie viele der Sonden, die zu anderen Planeten geschickt werden, mitunter sogar bis zum Jupiter. Auf der Erde selbst breiten sich Solarzellen über die Hausdächer von Städten und Dörfern aus, da die rapide fallenden Preise die Technologie zunehmend wettbewerbsfähiger machen.

Einstein selbst hat die Solarzellen nicht erfunden – erste unausgereifte Prototypen entstanden im Jahr 1839. Aber 1905 umriss er ihr grundlegendes Wirkungsprinzip. Als Ausgangspunkt diente ihm die folgende Analogie: Wenn Materie aus Teilchen besteht – wenn also jeder Stoff im Universum aus Atomen und Molekülen besteht –, dann muss auch das Licht aus Teilchen bestehen.

Schließlich, so sagte Einstein, hätten Physiker kürzlich folgende Entdeckung gemacht: Wenn ein festes Objekt Licht aufnimmt oder abgibt, geht das mit einer Änderung in der Energie des Objekts einher. Die einfachste Möglichkeit, um diesen merkwürdigen Umstand zu verstehen, war Einstein zufolge die Annahme, dass das Licht selbst lediglich ein Schwarm eigenständiger Energiepakete war. Diese Lichtpartikel erhielten später den Namen Photonen.

Laut Einstein war die Energie jedes Paketes proportional zur Frequenz des Lichts, woraus sich eine einfache Möglichkeit ergab, diese Theorie zu testen. Man musste nur einen Lichtstrahl auf eine Metalloberfläche halten. Wenn die Frequenz des Lichts hoch genug war, müssten zumindest ein paar seiner Energiepakete in der Lage sein, einige Elektronen aus dem Metall herauszulösen, die man dann durch Experimente nachweisen konnte. Im Grunde funktionieren auch Solarzellen auf diese Weise. Licht von der Sonne versetzt die Elektronen in der Zelle auf ein höheres Energieniveau, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird.

Vor Einstein hatte niemand dieses Phänomen vollständig erklären können. Seine Entdeckung galt als so bedeutsam, dass er den Physik-Nobelpreis 1921 nicht etwa für seine Relativitätstheorie erhielt, sondern für die Erklärung des photoelektrischen Effekts.

LASERPOINTER

Wer mal auf einer Konferenz war oder mit einer Katze gespielt hat, hat vermutlich auch schon mal einen Laserpointer in Aktion erlebt. 1960 entwickelten Physiker den ersten Laborprototyp eines Lasers. Seitdem hat das Gerät fast jede erdenkliche Nische besetzt, von Barcodescannern bis zur Haarentfernung.

Das alles erwuchs aus einem Einfall, den Einstein 1917 hatte, als er versuchte, mehr über die Interaktion von Licht und Materie zu erfahren.

Er stellte sich einen Haufen Atome vor, die in Licht gebadet waren. Wie er durch seine vorhergehende Arbeit wusste, konnten Atome auf niedrigen Energieniveaus Photonen absorbieren, um auf ein höheres Energieniveau zu springen. Ebenso konnten Atome auf hohen Energieniveaus plötzlich Photonen abgeben und wieder auf ein niedrigeres Energieniveau fallen. Wenn genug Zeit vergeht, pendelt sich alles auf ein Gleichgewicht ein.

Anhand dieser Annahme entwickelte Einstein eine Gleichung, mit der er errechnen konnte, wie die Strahlung von einem solchen System aussehen sollte. Leider passten seine Berechnungen nicht zu dem, was Physiker in ihren Laboren beobachten konnten. Irgendetwas fehlte.

Also machte Einstein eine geniale Annahme: Vielleicht marschierten Photonen gern im Gleichschritt. Wenn ein Haufen Photonen sich in die gleiche Richtung bewegt, würde das die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass ein Atom auf einem hohen Energieniveau ein weiteres Photon in dieselbe Richtung abgibt. Diesen Prozess bezeichnet man als stimulierte Emission. Und als er ihn in seine Gleichungen integrierte, stimmten seine Berechnungen perfekt mit den Beobachtungen überein.

Ein Laser ist im Grunde nur ein Werkzeug, das sich dieses Phänomens bedient. Er strahlt einen Haufen Atome durch Licht oder elektrische Energie aus. Dann leitet er die Photonen hindurch – eine Armee, die in perfektem Gleichschritt in exakt dieselbe Richtung marschiert. Das Wort Laser selbst ist übrigens ein Akronym für die von Einstein beschriebene Funktionsweise: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, oder zu Deutsch, Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung.

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