Große Erfinder 08.08.2019, 09:37 Uhr

Diese Erfindungen wären ohne Albert Einstein undenkbar

Albert Einstein ist uns als Erfinder und produktiver Denker bekannt. Einsteins Theorien beeinflussen uns bis heute, denn viele Techniken des Alltags würden ohne ihn wohl gar nicht funktionieren. Ob die Relativitätstheorie oder der fotoelektrische Effekte: Wir fassen die bedeutendsten Erfindungen Albert Einsteins zusammen.

Albert Einstein arbeitet vor amerikanischen Wissenschaftlern an einem mathematischen Problem an der Tafel. Einstein wurde am 14. März 1879 in Ulm geboren und starb am 18. April 1955 in Princeton, New Jersey.

Albert Einstein arbeitet vor amerikanischen Wissenschaftlern an einem mathematischen Problem an der Tafel. Einstein wurde am 14. März 1879 in Ulm geboren und starb am 18. April 1955 in Princeton, New Jersey.

Foto: dpa

Kurzbiographie: Das Leben von Albert Einstein
Lebensdaten: 14. März 1879 bis 18. April 1955

Nationalität: schweizerisch

Albert Einstein wurde 1879 als Sohn jüdischer Eltern in Ulm geboren. Seine ersten Lebensjahre verbrachte er durch einen Umzug in München. Doch der dort eröffnete Betrieb seines Vaters lief nicht gut, sodass die Einsteins nach Mailand auswanderten. Doch da wollte Albert Einstein nicht mitziehen und brach das Gymnasium ohne Abschluss ab. Er wechselte an eine Schule in der Schweiz. Sein Studium schloss er am Polytechnikum der Züricher Technischen Hochschule mit einem Diplom als Lehrer für Mathematik und Physik ab. Hauptsächlich war er aber als technischer Experte beim Schweizer Patentamt tätig. Er verantwortete also hauptsächlich die Erfindungen und Entscheidungen Dritter. Da er sich nicht ausgelastet fühlte, forschte er in der Freizeit weiter an der theoretischen Physik. Als er 26 war publizierte er seine bedeutenden wissenschaftlichen Werke. Sein Beweis, dass Raum und Zeit miteinander zusammenhängen, war der Durchbruch für seinen Ruhm. Seitdem arbeitete Albert Einstein als Direktor, unter anderem am heutigen Max-Planck-Institut.

Einstein verbrachte einen Großteil seiner Lebenszeit damit Raum, Zeit, Materie und Energie zu erforschen. Der Physiker hat nicht nur an seiner Relativitätstheorie gearbeitet, sondern auch die wissenschaftliche Basis für den Gebrauch des Röhrenfernsehers und der Solarzelle gelegt.

Die bekannteste Gleichung der Geschichte

E = mc² ist die wohl bekannteste Gleichung der Physik. Das Prinzip der Relativität besagt, dass Masse und Energie äquivalente Größen sind, die in einem Zusammenhang stehen. Sprich: Masse und Energie können ineinander umgewandelt werden. Der hohe Wert c (Lichtgeschwindigkeit) sorgt bei der Umwandlung von geringen Massen bereits für starke Energiemengen. Die Formel ist zur Basis für Kernkraftwerke geworden. Die Gleichung zur Masse-Energie-Äquivalenz hatte Einstein als Nachtrag zu seiner 1905 veröffentlichten Speziellen Relativitätstheorie publiziert. Es sollten viele weitere Genialitäten folgen.

Die bedeutendsten Errungenschaften von Albert Einstein

Die Quantentheorie des Lichts

Einstein stellte fest, dass alles Licht aus winzigen Energiepaketen besteht – den sogenannten Photonen. Er nahm an, dass diese Photonen Partikel sind, die auch wellenartige Eigenschaften besitzen. Eine zu dieser Zeit völlig neue Idee.

Er verbrachte auch Zeit damit, die Emission von Elektronen aus Metallen zu skizzieren. Besonders faszinierende fand er die Auswirkungen von enormen elektrischen Impulsen wie Blitzen. Auf den fotoelektrischen Effekt kommen wir später zu sprechen.

Die Avogadro-Nummer

Bei diesem Stichwort werden Erinnerungen an den Chemieunterricht wach. Während Einstein daran arbeitete, die Brownsche Bewegung, das heißt die unregelmäßige Bewegung von Partikeln in einer Flüssigkeit, zu erklären, bestimmte er auch einen Ausdruck für die Menge von Avogadros Zahl in Form messbarer Größen.

All dies bedeutete, dass Wissenschaftler nun die Möglichkeit hatten, die Masse eines Atoms oder die Molmasse für jedes Element im Periodensystem zu bestimmen.

Avogadro einfach erklärt
Amadeo Avogadro war einer der bedeutendsten Naturwissenschaftler des 19. Jahrhunderts. Er entwickelte zwischen 1776 und 1856 chemische Formeln  und befasste sich mit physikalischen Fragestellungen. Zu seinen bedeutendsten Errungenschaften zählt die Option, die Molekülmasse gasförmiger Stoffe berechnen zu können. Dazu verlieh er einer Konstanten seinen Namen: die Avogadro-Konstante. Diese gilt für alle Stoffe. Die Avogadro-Konstante N A meint die Anzahl der Teilchen, die ein einem Mol eines Stoffes enthalten sind.

Das Bose-Einstein-Kondensat

Im Jahr 1924 wurde Einstein eine Arbeit von einem Physiker namens Satyendra Nath Bose geschickt. In diesem Artikel wurde detailliert beschrieben, wie man sich Licht als Gas vorstellen kann, das mit nicht unterscheidbaren Partikeln gefüllt ist.

Einstein arbeitete mit Bose zusammen, um diese Idee auf Atome auszudehnen, was zu einer Vorhersage für einen neuen Aggregatzustand führte: das Bose-Einstein-Kondensat.

Unter einem Bose-Einstein-Kondensat versteht man im Wesentlichen eine Gruppe von Atomen, die sehr nahe am absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Wenn sie diese Temperatur erreichen, bewegen sie sich kaum noch relativ zueinander. Sie beginnen sich zu verklumpen und treten in genau dieselben Energiezustände ein. Dies bedeutet, dass sich die Atomgruppe aus physikalischer Sicht so verhält, als ob sie ein einzelnes Atom wäre.

Der fotoelektrische Effekt

Einsteins Theorie des fotoelektrischen Effekts diskutiert die Emission von Elektronen aus Metall, wenn Licht darauf scheint. Wissenschaftler hatten dieses Phänomen beobachtet und konnten den Befund nicht mit Maxwells Wellentheorie des Lichts in Einklang bringen.

Albert Einsteins Entdeckung von Photonen trug zum Verständnis dieses Phänomens bei. Er vermutete, dass beim Auftreffen von Licht auf ein Objekt Elektronen emittieren, die er als Photoelektronen bezeichnete.

Dieses Modell bildete die Grundlage für die Funktionsweise von Solarzellen – Licht lässt Atome Elektronen freisetzen, die daraufhin Strom erzeugen und dann Elektrizität generieren.

Welle-Teilchen-Dualität

Einsteins Forschungen zur Entwicklung der Quantentheorie waren die wirkungsvollsten, die er jemals durchgeführt hat. Während seiner frühen Karriere bestand Einstein darauf, dass Licht sowohl als Welle als auch als Partikel behandelt werden sollte. Mit anderen Worten, Photonen können sich gleichzeitig als Teilchen und als Wellen verhalten. Dies wurde als Welle-Teilchen-Dualität bekannt.

Einstein sagte selbst: „Wir stehen vor einer neuen Art von Schwierigkeit. Wir haben zwei widersprüchliche Bilder der Realität; getrennt erklärt keines von beiden die Phänomene des Lichts vollständig, aber zusammen tun sie es.“

Albert Einsteins Arbeit brachte die moderne Quantenmechanik, das Modell der physikalischen Zeit, das Verständnis von Licht, Sonnenkollektoren und sogar die moderne Chemie voran. Der Naturwissenschaftler hat unser Verständnis von Physik, wie wir es heute kennen, eindeutig beeinflusst.

Spezielle Relativitätstheorie

In seinen Studien bemerkte der große Denker, dass Inkonsistenzen der Newtonschen Mechanik in ihrem Verhältnis zum Verständnis des Elektromagnetismus vorliegen. In einem im September 1905 veröffentlichten Aufsatz, schlug er eine neue Denkweise über die Mechanik von Objekten vor, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern. Dieses Konzept wurde als Einsteins spezielle Relativitätstheorie bekannt. Es veränderte damals das Verständnis der Physik.

Die spezielle Relativitätstheorie ist nicht gerade eingängig. Anbei ein simples Beispiel zur Erläuterung:

Einstein hatte das Verständnis, dass das Licht immer mit einer konstanten Geschwindigkeit von 300.000 km / s fährt, und fragte sich, was mit unseren Vorstellungen von Raum und Zeit passieren würde, wenn dies der Fall wäre. Wenn ein Laser mit einer Bewegung mit der halben Lichtgeschwindigkeit abgefeuert wird, hält der Laserstrahl diese konstant und bewegt sich nicht mit der eineinhalbfachen Lichtgeschwindigkeit. Also erkannte Einstein, dass entweder unsere Messung der Entfernung zwischen Objekten falsch sein muss oder die Zeit, die benötigt wurde, um diese Entfernung zurückzulegen, größer war als erwartet.

Einstein stellte fest, dass beide Antworten korrekt waren. Raumkontruskte und Zeit dehnen sich aus, wenn sich Objekte bewegen. Er stellte fest, dass Bewegung durch den Raum auch als Bewegung durch die Zeit gedacht werden kann. Im Wesentlichen beeinflussen sich Raum und Zeit gegenseitig.

Allgemeine Relativitätstheorie

Am 25. November 1915 sorgte Albert Einstein an der Preußischen Akademie der Wissenschaft in Berlin für Furore. Er präsentierte seine Allgemeine Relativitätstheorie. Sie besagt unter anderem, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist – unabhängig von der Bewegung des Beobachters und der Ausbreitungsrichtung.

Klingt banal? Ist es aber nicht. Denn es bedeutet den Verzicht auf die Vorstellung, es gäbe eine universelle Größe namens Zeit. Sie vergeht nämlich langsamer, je schneller sich ein Beobachter bewegt. Der Beobachter wird bei hohen Geschwindigkeiten außerdem immer schwerer. Diese Zusammenhänge sind nicht nur graue Theorie, sondern spielen im Alltag des modernen Menschen bei folgenden Erfindungen eine Schlüsselrolle:

Weltberühmtes Bild des Physikers Albert Einstein mit ausgestreckter Zunge. Einstein war übrigens auch verkappter Ingenieur: 1926 reichte er ein Patent für einen Kühlschrank ein, der ohne toxisches Kühlmittel auskommt.

Weltberühmtes Bild des Physikers Albert Einstein mit ausgestreckter Zunge. Einstein war übrigens auch verkappter Ingenieur: 1926 reichte er ein Patent für einen Kühlschrank ein, der ohne toxisches Kühlmittel auskommt.

Quelle: Arthur Sasse/dpa

1. Ohne Einstein hätten Fernseher nicht funktioniert

Auch wenn die Röhrenfernseher längst aus dem Wohnzimmer verschwunden sind: Den Erkenntnissen der Relativitätstheorie ist es zu verdanken, dass wir früher im Fernsehen ein scharfes Bild zu sehen hatten. Warum? Weil ein Fernseher Elektronen mit über 20.000 Volt beschleunigt. Und dabei nimmt ihre Masse laut Einstein messbar zu. Ein Effekt, den Ingenieure ausgleichen müssen. Ansonsten würden die Elektronen auf dem Bildschirm Abweichungen im Millimeterbereich zeigen und das Bild wäre verschwommen.

2. Relativitätstheorie verhilft GPS zu mehr Genauigkeit

Auch beim Global Positioning System (GPS) spielt die Relativitätstheorie eine Rolle. Da sich die Atomuhren an Bord der Satelliten mit 140.000 Kilometer pro Stunde bewegen, würden sie pro Tag theoretisch sieben Mikrosekunden langsamer laufen als Uhren auf der Erde.

Albert Einsteins Berechnungen zur Relativitätstheorie (E=mc2) sind unter einem Vergrößerungsglas auf dem Manuskript zu sehen.

Albert Einsteins Berechnungen zur Relativitätstheorie (E=mc2) sind unter einem Vergrößerungsglas auf dem Manuskript zu sehen.

Quelle: Jon Levy/dpa

Dabei bleibt es aber nicht: Da die Zeitanzeiger in 20.000 Kilometer Höhe die Gravitationskraft nur ein Viertel so stark spüren wie Uhren auf der Erdoberfläche, würden sie jeden Tag theoretisch 45 Mikrosekunden schneller laufen. Zieht man diese beiden Effekte in Betracht, ergibt sich ein Unterschied von 38 Mikrosekunden, den GPS-Systeme ausgleichen müssen. Ansonsten würden sie täglich eine Fehlangabe von 11 Kilometern anzeigen.

Und es ist gerade erst zwei Jahre her, dass Wissenschaftler begonnen haben, diese Abweichungen in der Realität nachzuweisen. Sie werten die Daten von zwei Galileo-Satelliten aus, die im Vergleich zu ihren Schwestersatelliten in einer falschen Umlaufbahn unterwegs sind. Demnach müssen sich die Zeitangaben dieser Satelliten minimal unterscheiden.

3. Ohne Einstein wäre Atomstrom undenkbar

In der Speziellen Relativitätstheorie hat Einstein bewiesen, dass die Masse der Atome und deren Energie äquivalent sind: Mit der berühmten Formel E=mc2 legte er das theoretische Grundgerüst für die gesamte Atomphysik.

Der deutsche Physiker Albert Einstein beim Rauchen einer Pfeife: Der Begründer der Relativitätstheorie erhielt 1921 für seine Beiträge zur Quantentheorie, besonders für seine Deutung des Photoeffekts, den Nobelpreis für Physik. 

Der deutsche Physiker Albert Einstein beim Rauchen einer Pfeife: Der Begründer der Relativitätstheorie erhielt 1921 für seine Beiträge zur Quantentheorie, besonders für seine Deutung des Photoeffekts, den Nobelpreis für Physik.

Quelle: dpa

4. Auch Solarzellen basieren auf Erkenntnissen Einsteins

Nicht nur die Relativitätstheorie hat moderne Erfindungen maßgeblich beeinflusst. Bedeutend ist auch der sogenannte lichtelektrische Effekt, für dessen Entdeckung Einstein 1922 den Nobelpreis erhielt. Er besagt, dass Licht aus Oberflächen bestimmter Materialien Elektronen herausschlägt, die elektrischen Strom erzeugen können. Diesem Prinzip folgen Solarzellen, die heutzutage nicht mehr wegzudenken sind  – beispielsweise auf Häuserdächern und in Taschenrechnern.

Albert Einstein spricht in einer berühmten Rede im Februar 1950 zur Frage des atomaren Wettrüstens. Ende Dezember 1999 wurde der unkonventionelle Wissenschaftler vom amerikanischen Time-Magazin zur

Albert Einstein spricht in einer berühmten Rede im Februar 1950 zur Frage des atomaren Wettrüstens. Ende Dezember 1999 wurde der unkonventionelle Wissenschaftler vom amerikanischen Time-Magazin zur „Person des Jahrhunderts“ gewählt. Neben seinen wissenschaftlichen Arbeiten trat Einstein für den pazifistischen Gedanken ein und plädierte für eine übernationale Weltregierung.

Quelle: dpa

5. Am Rande: Der Einstein-Kühlschrank

Dieser Punkt schlägt etwas aus der Reihe, ist aber dennoch erwähnenswert: Einstein hat sich nämlich nicht nur mit Theorie befasst, sondern war im Grunde seines Herzens auch Ingenieur. 1926 hatte der Physiker in der Zeitung gelesen, dass aus einem Kühlschrank austretendes Schwefeldioxid eine ganze Familie im Schlaf erstickt hatte. Er reichte daraufhin ein Patent für ein Gerät ein, das ohne toxische Kühlmittel auskommt und auf die Verdampfung hochkonzentrierten Alkohols setzt. AEG sicherte sich damals die Lizenz-Rechte am Einstein-Kühlschrank, brachte das Gerät aber nie auf den Markt.

 

Von Patrick Schroeder und Sarah Janczura

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