Auf der Suche nach den ältesten Sternen (German Edition)

können, stellte er 1900 die außerordentliche Hypothese auf, dass bei jeglicher Interaktion zwischen Strahlung und Materie Energie nur in diskreten »Portionen« ausgetauscht werden könne. Er nannte diese Portionen »Quanten«. Dabei postulierte er, dass jedes Lichtquant eine bestimmte Energie hat, die proportional zur Strahlungsfrequenz des Lichts ist. So haben z.B. hochenergetische Quanten eine hohe Frequenz und dementsprechend eine kurze Wellenlänge.
    Auf der Grundlage dieser Arbeiten entwickelte Albert Einstein Plancks Ideen weiter, um zu zeigen, dass elektromagnetische Wellen auch als Teilchen mit bestimmten Energiequanten beschrieben werden können. Indem auch Einstein das Licht als Teilchen und nicht als eine Welle beschrieb, konnte er 1905 zeigen, dass die neue Theorie mit experimentellen Daten zum »photoelektrischen Effekt« übereinstimmte. Bei diesem Effekt werden von einigen Materialien Elektronen ausgesendet, aber nur, wenn das Material mit Strahlung einer materialabhängigen Mindestenergie bestrahlt wurde. Solche Elektronen werden als Photoelektronen bezeichnet.
    Einsteins Erklärung war folgende: Um ein Photoelektron freizusetzen, muss es eine bestimmte Mindestenergie aufnehmen. Erst dann kann es das Atom, an das es bisher gebunden war, verlassen. Die einzelnen Lichtteilchen der einfallenden Strahlung müssen daher diese Mindestenergie mit sich tragen: Ein Elektron im Atom absorbiert ein Photon und bekommt dessen Energie übertragen. Ein Teil der absorbierten Energie, die Mindestenergie, wird dazu verwendet, das Elektron aus dem Atom zu lösen. Eine eventuelle Restenergie wird in Bewegungsenergie des Elektrons umgesetzt. Energieärmere Strahlung mit größerer Wellenlänge als die für das Material charakteristische Grenzwellenlänge vermag keine Photoelektronen freizusetzen – die Elektronen bekämen nicht genug Energie übertragen, um den Atomverband zu verlassen. Damit hängt die Energie der Photoelektronen nur von der Energie der einfallenden Strahlung und nicht von ihrer Intensität ab. Diese von Planck und Einstein gefundene Quantelung der Energie in kleinste Portionen stand im Widerspruch zur bisherigen Vorstellung, dass Energie in beliebige Portionen teilbar sei.
    Diese Erklärung führte bald zu einer Revolution in der Beschreibung von Phänomenen auf subatomaren Skalen. Einstein erhielt 1921 für seine Arbeiten zum Photoeffekt den Nobelpreis für Physik. Heute sind die Anwendungen für den Photoeffekt schon ganz alltäglich geworden, z.B. in Solarzellen oder in Sensoren für Digitalkameras.
    Für Einstein und seine Zeitgenossen waren die Lehren aus dem Photoeffekt jedoch vollkommen neu und umwälzend. Licht war hier nicht wie in den bisher bekannten Experimenten als Welle aufgetreten, wie es der englische Physiker James Clark Maxwell um 1861 mit seinen Maxwell’schen Gleichungen beschrieben hatte. Der Photoeffekt ließ sich vielmehr am besten verstehen, wenn man annahm, dass die zum Herauslösen eines Elektrons nötige Energie durch ein Licht teilchen übertragen wurde. Licht erscheint uns deswegen unter bestimmten experimentellen Umständen als Welle, unter anderen jedoch als Teilchen. Man spricht von einem Welle-Teilchen-Dualismus, der unserer alltäglichen Erfahrung völlig zu widersprechen scheint. Im Jahr 1924 zeigte der französische Physiker Louis-Victor de Broglie, dass der Welle-Teilchen-Dualismus für jegliche Art von Materie gilt, dass also z.B. auch Elektronen unter gewissen Umständen als Welle erscheinen können.
    1905 war in vielerlei Hinsicht ein wichtiges Jahr für die Physik. In diesem seinem »Wunderjahr« veröffentlichte Einstein sage und schreibe vier wichtige Arbeiten, die das physikalische Verständnis der Welt veränderten und enorm vorantrieben. Die Erklärung des Photoeffekts war erst der Anfang. Als nächstes kam seine Erklärung zur Brown’schen Bewegung von Atomen und Molekülen in einer Flüssigkeit.
    Gleichzeitig konnte er auf diese Weise indirekt erstmals die Existenz von Atomen nachweisen. Um 1900 war die genaue Natur der Atome nämlich noch unbekannt. Weiterhin beschäftigte sich Einstein mit verschiedenen Vorgängen aus der Klassischen Mechanik, wenn sie nahe oder bei Lichtgeschwindigkeit stattfinden. Diese Arbeit wurde schnell als Spezielle Relativitätstheorie bekannt. Sie half zudem auch, die verschiedenen Ergebnisse zu den Versuchen des Äthernachweises zu verstehen. So wurde zum ersten Mal postuliert, dass die Lichtgeschwindigkeit eine konstante