Planck und einstein - neue wege der physik

MAX PLANCK wurde am 23.4.1858 in Kiel geboren. Das \"Geschlecht\" PLANCK setzte sich vor allem aus Juristen und protestantischen Geistlichen zusammen. Max\' Eltern, die pflichtbewußt waren, vielleich auch eine gewisse charakterliche Steifheit besaßen, interessierten sich nicht nur für die geistige Ausbildung ihres Sohnes, sondern unterstützten auch seine musikalischen Fähigkeiten und sein großes Hobby, das Bergsteigen.

MAX PLANCK, der das Gymnasium in München besucht hatte, zog es vor, in Berlin Physik zu studieren, da er die Vorlesungen an der Münchner Universität für unbedeutend hielt. Nach Beendigung seines Studiums wurde PLANCK in Kiel, wo er sofort begann, die Strahlungsformel zu finden, angestellt. Am 14.Dezember 1900 stellte PLANCK sein Strahlungsgesetz der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vor und begründete sein Gesetz, das in Übereinstimmung mit der Erfahrung stand.

PLANCK mußte, um seine Theorie begründen zu können, die Theorie BOLTZMANNS, mit der er ja anfangs gar nicht übereinstimmte, und die er für unvereinbar mit der Theorie der Wärmelehre hielt, anwenden. Die Strahlungsformel besagt, daß die Menge der Energie, die im Laufe des Strahlungsprozesses abgegeben wird, nicht gleichmäßig, sondern stoßweise, in \"Energiepaketen\" anwächst. PLANCK bezeichnete die \"Energiepakete\" als Quanten. Weiteres konnte er feststellen, daß die Quanten umso reicher an Energie sind, je höher die Frequenz einer Strahlung ist. Das heißt also, daß die Strahlenfrequenz in einem direkten, proportionalen Verhältnis zur Energie eines Quants steht. Und so würde es der Mathematiker formulieren:

E = h * f

E: Strahlungsenergie (in Joule)

h: Planksches Wirkungsquantum 6,62 10-34

f: Frequenz der Strahlung

Die Theorie von \"Energiepaketen\" war einzigartig, etwas ganz Neues und erschien so manchem als technischer Trick. Daß diese jedoch keine Einbildung war, demonstrierte später sein langjähriger Freund Albert Einstein.

ALBERT EINSTEIN, der wahrscheinlich größte Physiker des 20. Jhdt., wurde am 14.März 1879 in Ulm geboren. Sein Vater, der Jude war, hatte in seinem Beruf als Ingenieur keinen großen Erfolg.

Seine Kinderjahre und auch die ersten Schuljahre verbrachte EINSTEIN in München, doch man könnte nicht sagen, daß er in der Schule besonders gut war, im Gegenteil, in der Oberschule kam es oft zu Streitigkeiten zwischen ihm und seinen Lehrern, weil er mit den Lernmethoden überhaupt nicht einverstanden war. Albert entschloß sich dann kurzfristig, ein \"schulfreies\" Jahr in Italien zu verbringen, doch ohne Abitur konnte er nicht die Universität besuchen, denn sein Ziel war es ja, Physiker zu werden.

Er bewarb sich dann an der ETH in Zürich, doch diese Elitehochschule wies ihn ab, weil er weder das erforderliche Zeugnis besaß, noch die Aufnahmeprüfung bestanden hatte. So faßte er den Entschluß, seine Schulkarriere am Gymnasium in Aarau, in der Schweiz, zu beenden. Beim zweiten Anlauf schaffte Albert die Aufnahmeprüfung an der ETH, doch keiner seiner Professoren nahm ernsthaft Notiz von ihm. Nachdem er sein Studium beendet hatte und keine Anstellung fand, verdiente er sich sein Geld als Privatlehrer in Physik und schließlich landete er beim Bundespatentamt in Bern. Diese Anstellung war für ihn ideal, denn er hatte immer genügend Zeit, um nachzudenken.

In den Jahren 1901-1904 schrieb er vier Arbeiten, die sich mit der Thermodynamik und statistischer Mechanik beschäftigten, doch die drei wichtigsten Arbeiten, die ihn unsterblich machten, entstanden im Jahre 1905, in den \"Annalen der Physik\":

Entdeckung der Lichtquanten

Theorie der Brownschen Bewegung

Spezielle Relativitätstheorie

Die Spezielle Relativitätstheorie ist meist die einzige Theorie EINSTEINS, die allgemein bekannt ist.

Obwohl die Relativitätstheorie eigentlich nichts mit dem Aufbau der Atome zu tun hat und sich auch nicht mit Atomen auseinandersetzt, sei sie nur kurz erwähnt, weil sie einerseits so populär ist, und weil sie andererseits auch etwas mit der Entwicklung der Atombombe zu tun hat- wobei ich dieses Kapitel erst weiter unten erwähnen möchte, zur Zeit Lise Meitners.

EINSTEINS Theorie beschäftigt sich mit dem Verhalten des Lichtes zu bewegten Körpern. Die Relativitätstheorie erklärt die Beziehungen, die zwischen Licht und Bewegungen bestehen. EINSTEIN setzt sich vor allem mit den Begriffen von Raum, Zeit und Gleichzeitigkeit auseinander und setzt für seine Theorie hohe Geschwindigkeiten - die Lichtgeschwindigkeit - voraus.

EINSTEIN war der erste Physiker, der die Abhängigkeit der physikalischen Aussage vom Standpunkt des Betrachters, klar beschrieben hat. EINSTEIN setzt für seine Theorie voraus, daß sich das Licht, egal ob man steht, oder sich bewegt, immer gleich ausbreitet und daß c eine universelle Konstante ist.
Er untersuchte die Konzepte von Raum und Zeit äußerst sorgfältig und logisch und erkannte zum Beispiel die Relativität der Gleichzeitigkeit: \"Vorgänge an verschiedenen Orten, die einem Beobachter gleichzeitig erscheinen, erscheinen einem anderen, der sich in bezug auf den ersten bewegt, keineswegs gleichzeitig.\" (6)

Ein einfaches Beispiel, das diesen Satz erklärt: Wenn ich über das Deck eines riesigen Dampfers bei ruhiger See spaziere, dann merke ich gar nicht, daß sich das Schiff bewegt. Ich merke nur am Vorüberziehen der Landschaft, der Küsten, daß das Schiff in Bewegung ist.

Ein weiteres Beispiel für die Relativität der Gleichzeitigkeit ist das Zwillingsparadoxon: Ein Zwilling bewegt sich vom anderen gleichförmig geradlinig fort, während der andere stehenbleibt. Kehrt nun der Zwilling, der sich vom anderen fortbewegt hatte zurück, dann wird er merken, daß sein Bruder bzw. seine Schwester älter geworden ist als er. So paradox diese Theorie auch klingt, sie ist richtig und wurde u.a. durch die Hochenergiephysik nachgewiesen.

Aus der Relativitätstheorie ergeben sich nun viele wichtige Folgen: Nur die Lichtgeschwindigkeit c ist konstant, alle übrigen Größen, wie z.B Masse, Zeit und Länge sind veränderbar. Die Erhaltung der Masse kann nicht mehr als präzises Gesetz aufgefaßt werden, weil man Masse in Energie umwandeln kann. Somit gilt nun die Formel:


E = mc2

Diese neuen Ideen und Theorien bereiteten zahlreichen Physikern Verständnisprobleme, und sie konnten sich nur schwer mit EINSTEINS Ideen anfreunden. Und so sonderbar es auch heute klingen mag, Einstein bekam den Nobelpreis nicht für die heute so bekannte Relativitätstheorie, sondern für andere Theorien.

Viele Physiker halten aber nicht die Relativitätstheorie für Einsteins größte Leistung, sondern die Erkenntnis, daß Licht eine Welle und ein Teilchen zugleich ist. EINSTEIN störte die Vorstellung, daß Körper aus Atomen bestehen, daß Licht aber eine Welle sein sollte. Warum konnte nicht auch das Licht aus \"Lichtatomen\" bestehen? EINSTEIN griff auf Planck zurück, der ja besagte, daß Wärme aufgrund der stoßweisen Abgage der Energiepakete (Quanten) entsteht, und er kam zum Entschluß, daß sich Licht so verhält, als ob es aus Energiequanten besteht.

Anfangs waren EINSTEINS Kollegen noch sehr skeptisch, und sie glaubten nicht daran, daß man Plancks Ideen so radikal deuten könnte, doch im Jahre 1921 hatte EINSTEIN endgültig gesiegt und bekam für seine Quantentheorie den Nobelpreis verliehen.

Doch nun noch kurz zu Einsteins dritter, bedeutender Arbeit, die ja ebenfalls 1905 entstanden ist. Schon 1827 hatte der schottische Botaniker ROBERT BROWN die Beobachtungen gemacht, daß sich Blütenstaubkörner oder andere kleine Teilchen, die in Wasser gelegt wurden, durch \"Zittern\" bewegten. Einstein konnte nun klären, warum sich diese Teilchen bewegten: Der Grund für die Stöße sind die Flüssigkeitsmoleküle. Die Theorie der Brownschen Bewegung ist ein weiterer Hinweis für die Existenz von Atomen.

Wenden wir uns nun wieder der experimentellen Physik, konkret, ERNEST RUTHERFORD zu.

Abb. 4: ALBERT EINSTEIN (1879-1955)