Einstein, Albert

geb. 14.3.1879 Ulm,

gest. 18.4.1955 Princeton.

Jürgen Renn und Dieter Hoffmann, Berlin

Albert Einstein wurde durch seine Beiträge zu den begrifflichen Veränderungen im Übergang von der klassischen zur modernen Physik zu einer Zentralfigur der Physik des 20. Jahrhunderts. Er revolutionierte mit der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) von 1905 und der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) von 1915 das Verständnis der klassischen Physik von Raum und Zeit. Durch die Formulierung der Lichtquantenhypothese im Jahre 1905 hat er in entscheidender Weise die Entwicklung der Quantentheorie vorangetrieben und damit zur Revolutionierung des Strahlungs- und Materiebegriffs der klassischen Physik beigetragen. Dies und die Fülle anderer herausragender Beiträge zur zeitgenössichen Physik, aber auch die Stellung, die er in der Öffentlichkeit einnahm, machen ihn zu einem der bedeutendsten Wissenschaftler des Jahrhunderts.

Zur Biographie

Einstein wurde am 14.3.1879 in Ulm als Sohn einer jüdischen Familie geboren. Sein Vater war zunächst in München und dann in Italien im Elektrogewerbe tätig. 16jährig ging Einstein, nach Konflikten mit dem autoritären deutschen Schulsystem, für kurze Zeit nach Italien. 1896 holte er im schweizerischen Aarau das Abitur nach und studierte anschließend an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich Physik und Mathematik. Nach dem Diplom-Abschluß im Sommer 1900 fand er zunächst keine reguläre Anstellung und war in den nächsten zwei Jahren unter anderem als Aushilfslehrer tätig. Seit 1902 arbeitete er als Gutachter am Eidgenössischen Patentamt in Bern. 1903 nahm er die Schweizer Staatsbürgerschaft an, die er bis zu seinem Tode behielt. Einstein wurde 1905 promoviert und habilitierte sich drei Jahre später. 1903 heiratete er seine Kommilitonin Mileva Maric. Aus dieser Verbindung entstanden drei Kinder, die Tochter Lieserl (1902) und die beiden Söhne Hans-Albert (1904) und Eduard (1910). Die Ehe mit Mileva wurde 1919 geschieden. Im selben Jahr heiratete Einstein seine Cousine Elsa Löwenthal-Einstein.

In Einsteins Schweizer Zeit (1895 bis 1914, mit einer Unterbrechung in Prag) fällt sein "annus mirabilis" 1905. Aufbauend auf Vorleistungen von M. Planck, L. Boltzmann und H.A. Lorentz, erzielte er in diesem Jahr auf verschiedenen Gebieten der Physik fundamentale Durchbrüche und legte mit seinen Arbeiten zur Lichtquantenhypothese, zur Brownschen Bewegung und zur Elektrodynamik bewegter Körper den Grundstein für seine wissenschaftliche Anerkennung. 1909 wurde er außerordentlicher Professor für theoretische Physik an der Universität Zürich; 1911 Ordinarius für theoretische Physik an der Deutschen Universität in Prag. Zwischen 1912 und 1914 wirkte er in gleicher Funktion an der ETH Zürich.

1914 wurde er auf Betreiben von F. Haber, W. Nernst, M. Planck, H. Rubens und E. Warburg nach Berlin berufen. Dort konnte er als hauptamtliches Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften und als Direktor des 1917 gegründeten Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik frei von Lehrverpflichtungen seinen Forschungen nachgehen. Mit Einsteins Berufung nach Berlin war die Hoffnung verbunden, daß er mit seinen theoretischen Forschungen die Integration von Physik und Chemie angesichts der durch die Einführung der Quantenhypothese aufgeworfenen Grundlagenprobleme voranbringen könne. Das der Gründung des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik zugrundeliegende Modell der Forschungsförderung bewährte sich jedoch nicht. In seinen eigenen Forschungen konzentrierte sich Einstein in seinen ersten Berliner Jahren auf den Abschluß der ART. Die Berliner Jahre und insbesondere die Zeit der Weimarer Republik markierten den Höhepunkt von Einsteins wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Anerkennung; sie waren allerdings auch eine Zeit zunehmender politischer und antisemitisch geprägter Angriffe gegen Persönlichkeit und Werk Einsteins. Als im Januar 1933 A. Hitler zum Reichskanzler ernannt und die Diskriminierung und Vertreibung der jüdischen Bevölkerung Staatspolitik wurde, beschloß Einstein, von einem Forschungsaufenthalt in den USA nicht mehr nach Deutschland zurückzukehren und legte aus Protest unter anderem seine Mitgliedschaft in der Berliner Akademie nieder.

Zunächst als Emigrant, ab 1940 als amerikanischer Staatsbürger wirkte Einstein bis zu seinem Tode als Fellow am neugegründeten Institut for Advanced Study in Princeton. Angesichts der Verbrechen des Dritten Reiches, insbesondere des Holocausts, ist Einstein nie wieder in das Land seiner Geburt zurückgekehrt. Er starb am 18. April 1955 in Princeton.

Das Frühwerk

Der junge Einstein fühlte sich als Rebell gegen die etablierte Physik. Ausgehend von avancierten Resultaten der klassischen Physik fand er neue, zum Teil revolutionäre Interpretationen dieser Resultate. Auf drei Gebieten der modernen Physik hat er Grundlegendes beigetragen, zur statistischen Physik, zur Quantentheorie und zur Relativitätstheorie. In seinen frühen Aufsätzen (1902/04) hat er etwa gleichzeitig und ohne Kenntnis der Arbeiten von J.W. Gibbs die Grundlagen der statistischen Mechanik formuliert. Auf der Grundlage der Resultate Boltzmanns versuchte er eine kinetische Theorie der Wärme zu entwickeln, die unter anderem auch auf die Elektronentheorie der Metalle und die Strahlungstheorie anwendbar ist, während Boltzmanns Bemühungen eher auf eine Begründung der klassischen Thermodynamik in der Mechanik zielten. In diesem Zusammenhang entstand Einsteins quantitative Erklärung der sogenannten Brownschen Bewegung als statistische Wärmebewegung suspendierter Teilchen. Seine Arbeit zur Brownschen Bewegung wurde zum Ausgangspunkt der experimentellen Bestätigung der Atomhypothese durch J. Perrin ab 1909.

Quantentheorie

Einstein begründete seinen ersten Beitrag zur Quantentheorie, die Formulierung der Lichtquantenhypothese im Jahre 1905, ebenfalls mit statistischen Argumenten. Wiederum ging er von einem avancierten Resultat der klassischen Physik aus, der Planckschen Formel für die Energieverteilung der Strahlung im thermischen Gleichgewicht. Einstein entwickelte eine revolutionäre Interpretation dieses Ergebnisses. Auf der Suche nach einer physikalisch befriedigenden Herleitung der Planckschen Strahlungsformel formulierte er den "heuristischen Gesichtspunkt", daß das Licht aus einzelnen Korpuskeln, den sogenannten Lichtquanten, besteht. Diese "Lichtquantenhypothese" wandte er auf die Erklärung des lichtelektrischen Effektes (photoelektrischer Effekt) und verwandter Erscheinungen (Lumineszenz, Ionisierung) an. Damit hatte Einstein für die Plancksche Quantenhypothese neben der Wärmestrahlungstheorie weitere Anwendungsgebiete erschlossen. Für die Erklärung des lichtelektrischen Effektes erhielt er im Jahre 1921 den Nobelpreis für Physik. Einsteins Lichtquantenhypothese wurde zum Ausgangspunkt für eine lebenslange Beschäftigung mit Fragen der Quantentheorie: 1907 lieferte er eine erste quantentheoretische Theorie der spezifischen Wärme von Festkörpern, 1909 führte er im Rahmen von Überlegungen zur Hohlraumstrahlung den Gedanken des Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts in die Physik ein. 1912 formulierte Einstein das photochemische Äquivalenzgesetz. 1916 lieferte er auf der Grundlage des Bohrschen Atommodells eine neue (statistische) Ableitung der Planckschen Strahlungsformel und führte in diesem Zusammenhang den Begriff der Übergangswahrscheinlichkeiten für die spontane und induzierte Emission und Absorption von Strahlung ein. Dies war die theoretische Grundlage für das Laserprinzip. Schließlich entwickelte Einstein 1924/25 aufbauend auf Arbeiten von Sir. J.C. Bose die sogenannte Bose-Einstein-Statistik für ein ideales Gas ununterscheidbarer materieller Teilchen (Bosonen). Obwohl Einstein mit diesen Beiträgen zu den wichtigsten Pionieren der Quantentheorie gehörte, akzeptierte er die Quantenmechanik in ihrer statistischen Interpretation nicht als eine vollständige Beschreibung der physikalischen Realität. In Diskussionen mit N. Bohr und anderen Wegbereitern der modernen Quantenmechanik hat er immer wieder versucht, auf die Unvollständigkeit der Theorie hinzuweisen und so seiner Überzeugung vom deterministischen Ablauf aller Naturvorgänge Ausdruck gegeben (Bohr-Einstein-Dialog). Seine klassisch gewordene Bemerkung gegenüber M. Born (1926), daß der "Alte ... nicht würfelt", dokumentiert diese Haltung ebenso wie das sogenannte Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon (EPR-Paradoxon) (1935).

Relativitätstheorie

Bildete für den jungen Einstein die Auseinandersetzung mit der Planckschen Strahlungsformel den Ausgangspunkt für seine Pionierrolle in der Geschichte der Quantentheorie, so knüpfte seine Begründung der SRT in seiner Arbeit aus dem Jahr 1905 "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" an die Lorentzsche Elektrodynamik an. Obwohl diese auf dem Begriff eines unbeweglichen Äthers beruhende Theorie mit dem damaligen Erfahrungswissen gut übereinstimmte, gab es insbesondere Schwierigkeiten, für die Invarianz der Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen eine plausible physikalische Erklärung zu liefern. Einstein überwand diese Schwierigkeit, ebenso wie – unabhängig von ihm – H. Poincaré, durch die Ersetzung der in der klassischen Mechanik gültigen Galilei-Transformation von Raum- und Zeitkoordinaten zwischen zueinander bewegten Bezugssystemen durch die sogenannte Lorentz-Transformation. Er setzte damit einen bereits von Lorentz eingeschlagenen Weg fort, verknüpfte ihn aber mit der Einführung neuer Begriffe von Raum und Zeit, insbesondere eines neuen Begriffs von Gleichzeitigkeit. Dies ermöglichte ihm die Ausdehnung des Relativitätsprinzips der klassischen Mechanik auf die ganze Physik. Denn durch die Einführung der Lorentz-Transformation mit ihren scheinbar paradoxen Konsequenzen wie Längenkontraktion und Zeitdilatation war gewährleistet, daß alle Inertialsysteme physikalisch gleichberechtigt sind, d.h. die Gesetze der Physik in ihnen dieselbe Form besitzen und insbesondere die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. 1905 leitete Einstein eine weitere Konsequenz der SRT ab, die Äquivalenz zwischen Masse und Energie, ausgedrückt durch die berühmte Formel E = mc².

Die SRT bildete den Ausgangspunkt für die durch H. Minkowski im Jahre 1908 begründete Auffassung von Raum und Zeit als einem vierdimensionalen Kontinuum – danach kommt nur der Raum-Zeit, nicht aber Raum und Zeit separat physikalische Bedeutung zu.

Nach 1907 war Einstein darum bemüht, die Grundlagen für eine relativistische Gravitationstheorie zu legen, in der die Gravitation im Gegensatz zur klassischen Newtonschen Theorie als Feld aufgefaßt wird. Schwierigkeiten der Realisierung dieses Vorhabens führten ihn schon bald dazu, zugleich nach einer Verallgemeinerung der SRT zu suchen. Angeregt durch E. Machs historisch-kritische Studien zur Mechanik formulierte Einstein das Ziel, eine verallgemeinerte Relativitätstheorie auszuarbeiten, in der die in beschleunigten Bezugssystemen spürbaren Trägheitskräfte mit Gravitationskräften wesensgleich sind und die empirisch gesicherte Gleichheit von träger und schwerer Masse eine theoretische Erklärung findet. Seine heuristische Leitidee war das sogenannte Äquivalenzprinzip, nach dem ein gleichförmig beschleunigtes Bezugssystem und ein Inertialsystem mit einem homogenen statischen Gravitationsfeld als äquivalent angesehen werden können. 1912 gelang ihm durch die Einführung des metrischen Tensors als mathematischer Repräsentation des Gravitationspotentials ein erster Durchbruch auf dem Wege zur Realisierung dieser Idee. So gelang es Einstein, das vierdimensionale Kontinuum Minkowskis, das wie der Raum der klassischen Physik eine unveränderliche "Bühne" des physikalischen Geschehens ist, zu einer vierdimensionalen gekrümmten Raum-Zeit zu verallgemeinern, deren metrische Eigenschaften von den Massen des Universums abhängen. Mit Hilfe des Mathematikers M. Grossmann fand Einstein bereits 1912/13 die im wesentlichen korrekten Feldgleichungen für die Gravitation, verwarf sie aber wieder, weil ihm die physikalische Interpretation dieser Gleichungen nicht gelang. 1915 kehrte er zu diesen Gleichungen zurück und vollendete die Formulierung der ART. Die ART lieferte insbesondere eine quantitative Erklärung der seit langem bekannten Periheldrehung der Merkurbahn, die für die klassische Gravitationstheorie ein Problem war. Sie machte außerdem Vorhersagen für weitere nicht-klassische Effekte, die in der Folge bestätigt wurden, insbesondere die Krümmung eines Lichtstrahls im Schwerefeld der Sonne sowie die spektrale Rotverschiebung im Gravitationsfeld. Einsteins ART wurde Ausgangspunkt neuartiger kosmologischer Modelle.

Einstein selbst hat die ART nicht als eine vollständige Lösung der Probleme angesehen, die er sich ursprünglich gestellt hatte. Insbesondere blieb zunächst unklar, inwieweit die Theorie den Machschen Gedanken einer Erklärung der Trägheit durch die Verteilung der kosmischen Massen (von Einstein im Jahre 1918 als Machsches Prinzip eingeführt) realisierte. Zur Lösung dieses Problems erwog Einstein unter anderem die Einführung eines zusätzlichen Terms in den Feldgleichungen von 1915, den sogenannten kosmologischen Term. Für ihn setzte die Theorie darüber hinaus den Teilchen-Feld-Dualismus der klassischen Elektrodynamik fort. Er suchte deshalb nach einer einheitlichen Feldtheorie. Bis zu seinem Lebensende unternahm Einstein immer neue Versuche zur Formulierung einer solchen Theorie.

Einstein hat sich nicht nur mit den theoretischen Grundlagen der Physik beschäftigt, er war stets auch darum bemüht, die experimentellen Konsequenzen seiner theoretischen Arbeiten auszuloten. 1915/16 führte er in Berlin gemeinsam mit W. J. de Haas Versuche zum experimentellen Nachweis des gyromagnetischen Effektes durch (Einstein-de-Haas-Versuch). Außerdem meldete er in den zwanziger Jahren eine Reihe von Patenten an, unter anderem die Einstein-Szilard-Pumpe für die Konstruktion von Kältemaschinen.

Gesellschaft und Politik

Einsteins politisches Verhalten war im Vergleich zu dem seiner Fachkollegen exzeptionell. Während des ersten Weltkriegs entzog er sich allen chauvinistischen und nationalistischen Stellungnahmen, denen sich seine Kollegen oft bedenkenlos anschlossen. Sein politisches Verhalten – sein pazifistisches Engagement, sein Einsatz für die Weimarer Republik und seine zunehmende Unterstützung für die zionistische Bewegung – machte ihn zum Außenseiter. Aufgrund seines wissenschaftlichen Erfolgs, insbesondere durch die experimentelle Bestätigung der Krümmung des Lichts im Schwerefeld der Sonne nach einer britischen Sonnenfinsternisexpedition im Jahre 1919, rückte Einstein zunehmend ins Licht der Öffentlichkeit. Sein Ruhm in Verbindung mit seiner pazifistischen und demokratischen Grundhaltung machten ihn zu Beginn der zwanziger Jahre zum Angriffspunkt chauvinistischer und antisemitischer Hetzkampagnen. Nach der Machtergreifung der Nationalsozialisten 1933 war er einer der wenigen prominenten deutschen Wissenschaftler, die die einsetzende Verfolgung und Vertreibung jüdischer und anderer dem NS-Regime mißliebiger Bürger ebenso öffentlich und kompromißlos kritisierten wie das duldende Schweigen und das opportunistische Verhalten der meisten seiner Kollegen gegenüber dem nationalsozialistischen Terror.

Im amerikanischen Exil machte er in einem Brief aus dem Jahre 1939 an den amerikanischen Präsidenten Roosevelt auf die potentielle Gefahr der Entwicklung einer deutschen Atombombe aufmerksam und wurde so zum Mitinitiator des amerikanischen Atombombenprojektes, an dem er selbst nicht beteiligt war. Nach den amerikanischen Atombombenabwürfen auf Hiroshima und Nagasaki setzte er sich für die Ächtung der Kernwaffen ein. Einstein plädierte für eine Weltregierung zur Regelung der zwischenstaatlichen Konflikte und gehörte zu den entschiedensten Kritikern des kalten Krieges. Kurz vor seinem Tode wurde ihm die Präsidentschaft des Staates Israel angetragen, die er jedoch ablehnte.

Literatur:

Primäre Quellen:

- The Collected Papers of Albert Einstein, Princeton University Press 1987 ff; bisher sechs Bände erschienen.

- K.v. Meyenn (Hrsg.): A. Einsteins Relativitätstheorie. Die grundlegenden Arbeiten zur Relativitätstheorie, Braunschweig 1990.

- A. Einstein: Mein Weltbild, hrsg. v. C. Seelig, Zürich 1984.

- A. Einstein: Aus meinen späten Jahren, Stuttgart 1979.

- A. Einstein: Über den Frieden, hrsg. v. D. Nathan u. H. Norden, Bern 1975.

- A. Einstein: Die Evolution der Physik, Wien 1950.

Dokumente:

- P.A. Schilpp (Hrsg.): Albert Einstein als Philosoph und Naturforscher, Evanston 1949.

- Chr. Kirsten und H.-J. Treder (Hrsg.): Albert Einstein in Berlin 1913-1933, Darstellung und Dokumente, Bd. 1 und 2, Berlin 1979.

- S. Grundmann: Einsteins Akte, Heidelberg 1997.

Briefwechsel:

- A. Einstein/A. Sommerfeld, hrsg. v. A. Hermann, Basel, Stuttgart 1968.

- A. Einstein/M. u. H. Born, kommentiert von M. Born, München 1969.

- A. Einstein/ M. Besso, Paris 1972.

Biographien/Spezialstudien:

- Ph. Frank: Einstein – Sein Leben und seine Zeit, Braunschweig 1979.

- C. Seelig: Albert Einstein. Leben und Werk eines Genies unserer Zeit, Zürich 1960.

- L. Pyenson: The Young Einstein, Bristol 1985.

- A. Pais: Raffiniert ist der Herrgott ..., Braunschweig 1986.

- D. Howard, J. Stachel (Hrsg.): Einstein and the history of general relativity, Boston 1989.

- J. Eisenstaedt, A.J. Kox (Hrsg.): Studies in the history of general relativity, Boston 1992.

- M. Beller, J. Renn, R.S. Cohen (Hrsg.): Einstein in Context, in: Science in Context6 (1993) 1.

- J. Earman, M. Janssen, J.D. Norton: The attraction of gravitation: new studies in the history of general relativity, Boston 1993.

- A. Fölsing: Albert Einstein, Frankfurt/Main 1993.

- A. Hermann: Einstein. Der Weltweise und sein Jahrhundert, München 1994.

Hinweise auf wichtige Aufsätze Einsteins:

- "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt", Annalen der Physik4/17 (1905) 132-148. -_"Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen", Annalen der Physik4/17 (1905) 549-560. -_"Zur Elektrodynamik bewegter Körper", Annalen der Physik4/17 (1905) 891-921. -_"Experimenteller Nachweis der Ampereschen Molekularströme" (mit W.J. de Haas). Naturwissenschaften3 (1915) 237-238. -_"Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie", Annalen der Physik4/49 (1916) 769-822. -_"Zur Quantentheorie der Strahlung", Physikalische Zeitschrift18 (1917) 121-128. -_"Zur Quantentheorie des einatomigen Gases", Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch-Physikalische Klasse (1924) 261-267; (1925) 3-14, 18-25.

Einstein, Albert (1927)

Einstein,Albert2: Faksimile der Titelseite von Einsteins Originalarbeit zur Speziellen Relativitätstheorie.

Einstein,Albert3: Faksimile einer Seite aus Einsteins Züricher Notizbuch von 1912/13 mit den nach ihm benannten Feldgleichungen. (Mit freundlicher Genehmigung des Albert-Einstein-Archivs, The Jewish National & University Library, The Hebrew University of Jerusalem, Israel.)