Im Jahr 1905 lebte Albert Einstein in Bern in der Schweiz. Er bearbeitete als Angestellter Patentanträge im Patentamt. Im gleichen Jahr gab er seine Dissertation ab und veröffentlichte vier Werke, die die Physik für immer veränderten. Diese Werke des Annus Mirabilis behandelten den photoelektrischen Effekt, die Brownsche Bewegung, die spezielle Relativität und die Beziehung zwischen Materie und Energie.
Einstein bekam 1921 den Nobelpreis für seine Erklärung des photoelektrischen Effekts. Man hatte beobachtet, dass Materie Elektronen abgibt, wenn sie Licht absorbiert. Einstein erklärte, dass das Licht nicht kontinuierlich absorbiert wird, sondern in diskreten Energiepaketen, Quanten genannt. Diese Einsicht untermauerte den Welle-Teilchen-Dualismus, dessen Richtigkeit später experimentell bewiesen wurde.
Der Aufsatz zur Brownschen Bewegung half dabei, zu beweisen, dass Atome mehr als Theorie sind. Er zeigte, dass es möglich sein sollte, die Bewegung von Atomen und Molekülen unter dem Mikroskop zu beobachten. Der französische Physiker Jean Perrin ließ sich durch diesen Aufsatz inspirieren, die Brownsche Bewegung zu untersuchen, und konnte experimentell nachweisen, dass Einstein richtig lag. Er veröffentlichte die Ergebnisse 1913 in seinem Buch Les Atomes.
In dem Aufsatz zur speziellen Relativitätstheorie wurde die Idee entwickelt, dass die Lichtgeschwindigkeit immer gleich ist, und zwar unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle. Auch Newtons Axiome wurden erweitert. Newton lag zwar bei den für ihn zu beobachtenden Geschwindigkeiten richtig, doch Einstein zeigte, dass in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit andere Gesetze herrschen.
Das Michelson-Morley-Experiment
Im 19. Jahrhundert glaubten die Physiker, dass Licht durch ein Medium wandern müsste. Selbst das Vakuum sollte mit einer mysteriösen Substanz gefüllt sein, die sie Lichtäther nannten. Sie argumentierten, dass Schallwellen Luft als Träger benötigten, und da sich Wellen auf der Wasseroberfläche ausbreiten, auch das Licht ein vergleichbares Transportmedium benötige.
Es wurde angenommen, dass dieser Äther überall sei, aber er konnte nicht gefunden werden. 1887 unternahmen zwei amerikanische Wissenschaftler, Albert Michelson und Edward Morley den Versuch, den Äther aufzuspüren, indem sie die Bewegung der Erde durch den in ihrer Vorstellung vorhandenen Ätherwind beobachteten. Für den Äther selbst nahm man an, dass dieser statisch sei. Während die Erde sich aber um die Sonne dreht, so glaubte man, würde sie den Äther mit verschiedenen Winkeln durchlaufen und dabei einen messbaren Ätherwind erzeugen.
Michelson und Morley wollten nun in einem Experiment mittels Interferenzmuster einen kleinen Geschwindigkeitsunterschied zwischen einem Lichtstrahl und einem anderen, der im rechten Winkel zum ersten verläuft und die gleiche Distanz zurücklegt, nachweisen. Sie glaubten, dass ein solcher Geschwindigkeitsunterschied vorhanden sein müsse, weil das Licht den Äther mit verschiedenen Winkeln durchlief. Indem man die Anordnung drehte, glaubte man, den Effekt zu maximieren, da ein Strahl mit dem Ätherwind, und der andere gegen den Ätherwind laufen würde.
Für ihr Experiment platzierten Michelson und Morley eine Granitplatte in einer großen Schüssel mit Quecksilber. Die Platte schwamm im Quecksilber, wodurch Vibrationen gedämpft wurden, während das Equipment in verschiedene Richtungen im Ätherwind gedreht werden konnte. Auf der Granitplatte war eine Lichtquelle platziert, deren Licht an einen halbdurchlässigen Spiegel weitergeleitet wurde (Abbildung 33.1), der in einem Winkel von 45° zur Lichtquelle angeordnet war.
Eine Hälfte des Lichts ging durch den Spiegel durch und traf auf einen anderen Spiegel, der das Licht zum halbdurchlässigen Spiegel zurückwarf, wo es zum Okular eines Teleskops weitergeleitet wurde. Die andere Hälfte des Lichts wurde um 90° abgelenkt und traf auf einen anderen Spiegel, der es ebenfalls direkt auf den halbdurchlässigen Spiegel zurückwarf. Von dort wurde die Hälfte des Lichts an das Teleskop weitergegeben.
Die beiden Wissenschaftler erwarteten, ein Interferenzmuster zu sehen, weil zwar beide Teile des reflektierten Lichts genau die gleiche Entfernung zurückgelegt hatten, sie aber davon ausgingen, dass die Geschwindigkeit des Lichts unterschiedlich sein würde, und die betreffenden Wellen leicht verschoben eintreffen würden. Darüber hinaus vermuteten sie, dass wenn sie das betreffende Equipment mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehten, sich das Interferenzmuster entsprechend der relativen Geschwindigkeiten ändern würde.
Der gesamte Versuchsaufbau war in einer Holzkiste untergebracht, um das Ergebnis nicht durch Luftströme und plötzliche Temperaturänderungen zu verfälschen. Michelson und Morley rotierten die Platte langsam und maßen die Interferenzen. Sie wiederholten das Experiment zu verschiedenen Tageszeiten, um den Effekt der Erdrotation auf die Windstärke zu verstehen.
Sie fanden heraus, dass der Ätherwind wesentlich geringer war als erwartet. Tatsächlich war er so schwach, dass ihre Beobachtungen wahrscheinlich der Ungenauigkeit ihrer Ausrüstung zuzuschreiben war. Seit 1887 wurde das Experiment mehrfach mit immer genaueren Geräten wiederholt. Jedes Mal wurde die obere Grenze der Geschwindigkeit des Ätherwindes nach unten korrigiert. Heute geht man davon aus, dass dieser Ätherwind nicht existiert.
Einige nennen das Michelson-Morley-Experiment das berühmteste fehlgeschlagene Experiment aller Zeiten. Die Wissenschaftler fanden nicht das, was sie suchten, aber in echter wissenschaftlicher Manier veröffentlichten sie ihre Ergebnisse und versuchten, sie zu interpretieren.
Sie wussten nicht, dass Einstein acht Jahre später die Vermutung anstellen würde, dass die Lichtgeschwindigkeit unter allen Umständen gleich sei.
Einsteins letzter Aufsatz enthielt die berühmte Gleichung E = mc2 und erläuterte die Äquivalenz zwischen Masse und Energie. Die Gleichung half bei der Vorhersage der möglichen Energie einer Atomexplosion. Ein überraschender Nebeneffekt war die Erkenntnis, dass ein System Masse gewinnt, wenn es Energie aufnimmt, und umgekehrt (z. B. hat eine komprimierte Feder eine größere Masse als eine unkomprimierte).
Einsteins Wunderjahr wird im Historisches Museum Bern mit einer besonderen, ständigen Ausstellung, dem Einstein-Museum, gedacht, und auch im Einstein-Haus selbst.
Das Historische Museum Bern ist ein allgemeines Geschichtsmuseum mit Ausstellungen zur Schweizer Archäologie. Außerdem können die Arbeiten von Künstlern aus dem Raum Bern hier bewundert werden. Die einzige wissenschaftliche Ausstellung aber ist die Einstein-Ausstellung im Hauptmuseum. Sie ist recht groß und dokumentiert Einsteins Leben und Werk von der Kindheit über sein Studium an der ETH Zürich, seine Arbeit in Bern, die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie bis hin zu seinen Jahren in Princeton.
Neben Objekten aus Einsteins Leben finden Sie gut durchdachte Erläuterungen zur Relativität, das Michelson-Morley-Experiment (siehe Kasten) und das Myon-Experiment, bei dem durch kosmische Strahlung erzeugte Myonen untersucht werden, die auf die Erdatmosphäre treffen. Mit diesen konnte Einsteins Vorhersage der Zeitdilatation – die Vorstellung, dass die Zeit keine Konstante ist – bestätigt werden. Alles in allem sollte man die Ausstellung nicht verpassen.
In Bern befindet sich auch das Einstein-Haus. Während seines Annus Mirabilis lebte Einstein dort in der Kramgasse 49 mit seiner Frau und seinem Sohn. Die Wohnung wurde wieder in ihren Zustand von 1905 versetzt. Sie beherbergt eine kleine Ausstellung zu Einsteins wissenschaftlichen Errungenschaften.
Die Website des Historischen Museums Bern finden Sie unter http://www.bhm.ch/, und die des Einstein-Hauses unter http://www.einstein-bern.ch/.