Einsteins Erbe

8. April 2017, 21:58

E=mc2: Mit dieser berühmtesten Formel der Welt wird der Name Einstein zunächst in Zusammenhang gebracht. Weniger ist er als Mitbegründer der Quantentheorie, der zweiten fundamentalen physikalischen Theorie, die die Naturprozesse in der atomaren und subatomaren Welt beschreibt, im Bewusstsein der Menschen verankert.

Dabei wurde ihm für die Arbeit zur "Lichtquantenhypothese" und dem dadurch erklärbaren "photoelektrischen Effekt" der Physiknobelpreis für das Jahr 1921 zuerkannt, nicht für seine Relativitätstheorien. Er selbst hielt diese Arbeit mit dem Titel "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt", die aus dem Jahr 1905 stammt, seinem "annus mirabilis", für seinen revolutionärsten Beitrag zur modernen Physik.

Lebensthema Licht

In der Speziellen Relativitätstheorie wies Albert Einstein nach, dass - anders als Raum und Zeit - die Lichtgeschwindigkeit konstant und damit die einzige "absolute Größe" ist. In seiner Arbeit über den photoelektrischen Effekt behauptete er, dass das Licht aus Lichtquanten mit Teilcheneigenschaften bestehe. Er postulierte also, dass das Licht nicht nur Wellencharakter habe, so die damals gängigste Annahme, sondern auch die Eigenschaften unteilbarer Partikel. Einstein übertrug damit Max Plancks Energiequantelung (Energie wird nur in kleinen Mengen - Quanten - abgegeben, die ein Vielfaches der von Planck postulierten Wirkungsquantum h sind) auf die elektromagnetische Strahlung.

1916 trug Einstein mit seiner Annahme, dass bei jeder Aussendung und Aufnahme von Licht ein Impuls, ähnlich dem Impuls, den beim Billardspiel ein Queue auf die Kugeln ausübt, übertragen wird, wesentlich dazu bei, jene quantenphysikalischen Gesetze zu klären, die schließlich zum Laser führten.

Ultrakalte Materie

Wird Materie fast bis zum absoluten Nullpunkt von -273 Grad abgekühlt, zeigen die Atome eine interessante Quanteneigenschaft. Die einzelnen Bausteine (Bosonen) geben ihre Teilcheneigenschaften auf und verschmelzen zu einer Art Superatom, das Welleneigenschaften zeigt:

Die Atome des ultrakalten Gases beginnen im Gleichschritt zu schwingen. Die Existenz dieser ultrakalten Materie haben Einstein und der indische Physiker Satyendra Nath Bose bereits 1924 theoretisch vorhergesagt, 77 Jahre später erhielt Wolfgang Ketterle für die Herstellung dieses als "Bose-Einstein-Kondensat" bekannten Aggregatszustandes mit seinen amerikanischen Kollegen Eric Cornell und Carl Wiemann den Physiknobelpreis. Ein Atomlaser oder hochpräzise physikalische Messinstrumente könnten eine Folge dieser Entwicklung sein.

Ein konstruktiver Kritiker

Albert Einstein wurde in den 1920er-Jahren ein Kritiker der Quantenmechanik, wie sie vor allem von Niels Bohr, Werner Heisenberg, Paul Dirac, Erwin Schrödinger und Wolfgang Pauli formuliert wurde. Er wollte mit zahlreichen Gedankenexperimenten nachweisen, dass sie eine unvollständige Theorie der Natur sei. Er konnte sich mit dem "reinen oder objektiven Zufall" der Quantentheorie nicht abfinden: "Gott würfelt nicht" lautet sein häufig zitierter Ausspruch.

In der Quantentheorie lassen sich über ein einzelnes Teilchen nur mehr Wahrscheinlichkeitsaussagen treffen. Wo, und mit welchem Impuls man ein Teilchen bei einer entsprechenden Messung finden wird, lässt sich nicht mehr exakt berechnen. Die Werte des physikalischen Systems entstehen durch die Messung. Die Dinge in der Welt erhalten ihre Eigenschaften erst durch die Beobachtung. Diese als Kopenhagener Deutung in die Wissenschaftsgeschichte eingegangene Interpretation der Quantenphysik durch Niels Bohr rüttelt am Fundament des klassischen Weltverständnisses, einer von der Beobachtung unabhängigen Realität.

"Spukhafte Fernwirkung"

Der EPR-Effekt, benannt nach Einstein, Podolski, Rosen, den Verfassern des Textes in dem er beschrieben wird, war die Folge eines Gedankenexperimentes, um die Unvollständigkeit der Quantenmechanik nachzuweisen. In der klassischen Physik können zwei sehr weit entfernte Lichtteilchen als unabhängig voneinander betrachtet werden. Die Quantentheorie liefert jedoch andere Ergebnisse: Entfernen sich diese Photonenpaare voneinander, bleiben nicht-lokale Korrelationen zwischen ihnen bestehen. Die Messung an einem der beiden Photonen legt sofort die Eigenschaft des anderen Photons fest, unabhängig davon, wie weit es entfernt ist.

Einstein nahm an, dass die Teilchen vor der Trennung die nötige Information ausgetauscht hätten. Er geht von "verborgenen Variablen" aus, die das Messresultat bei der Trennung der Teilchen festlegen, sonst müsste der Informationsaustausch durch "spukhafte Fernwirkungen" erfolgen. Diese Vorhersagen der Quantenmechanik, die Einstein für unsinnig hielt, die mit Spuk jedoch nichts zu tun hat, nutzte der österreichische Physiker Anton Zeilinger und brachte es mit seinen berühmt gewordenen Teleportationsexperimenten bis auf die Titelseite von "Nature".