Zeit ist relativ: Die Formel E=mc²

Der letzte Teil der Einstein-Serie richtet sich an Physik-Halbgötter: Äquivalenz bedeutet im Wesentlichen die Gleichheit von Masse und Energie. Diese Gesetzmäßigkeit besagt, dass jede Masse (also jede Körper, jeder Gegenstand) Energie ist (also Licht oder Wärme), und jede Energie ist umgekehrt auch Masse. Materie ist quasi verfestigte Energie und Energie verflüssigte Materie. Diese Äquivalenz lässt sich in der Formel E=mc² ausdrücken und dient als Grundlage für die Atomkraft und die Photonentheorie des Lichts.

E=mc². Eigentlich ist es ganz einfach, was sich hinter dieser sagenumwobenen Formel verbirgt. Wir wollen herausfinden, wie viel Energie (E) in einem Stück Masse (m) steckt. Das "c" steht für die Lichtgeschwindigkeit, also 300.000 Kilometer pro Sekunde (km/s). Entsprechend ist c² = 90.000.000.000 (90 Milliarden) km²/s².

Mit dieser gigantischen Zahl muss die Masse (m) multipliziert (mal genommen) werden, um herauszufinden, wie viel Energie in ihr steckt. Mit Hilfe dieser Formel kann man auch ausrechnen, wie viel Masse ein Körper verliert, wenn er Energie abgibt, indem er Licht ausstrahlt. Weil c² eine so riesige Zahl ist, wird deutlich, dass auch in den kleinsten Teilchen eine große Menge Energie steckt.

Was diese Entdeckung aber tatsächlich bedeutete, bemerkte die Weltöffentlichkeit erst im Jahre 1945. Und sie machte diese Erfahrung auf eine sehr schmerzhafte Art und Weise. Denn die USA warfen je eine Atombombe auf die japanischen Städte Hiroshima und Nagasaki. Atome sind winzige Teilchen, die man mit bloßem Auge nicht sehen kann. Trotzdem erzeugen sie eine gigantische Menge Energie, wenn man sie teilt. Und genau diese Energie tötete unzählige Menschen.

Die Theorie der Brownschen Molekularbewegung

Der Biologe Robert Brown entdeckte 1827, dass sich winzige Pollenkörner im Wasser dauernd und ziellos bewegen (siehe Grafik oben). Einstein vermutete zu Recht, dass diese Bewegung durch unregelmäßige Stöße der sich stets bewegenden Atome und Moleküle im Wasser zustande kommt.

Die unter dem Mikroskop sichtbaren Partikel werden ständig von den viel kleineren und daher unsichtbaren Molekülen der Flüssigkeit angestoßen und so gewissermaßen "herumgeschubst". Anzahl, Stärke und Richtung der stoßenden Moleküle ändern sich laufend, so dass die beobachtete zufällige Zick-Zack-Bewegung entsteht.

Quantenphysik

Einstein zeigte, dass Licht aus extrem kleinen Teilchen, den Photonen bestehen muss. Er griff dabei auf das von Max Planck entdeckte Wirkungsquantum zurück. Er ging weiter und erklärte die Grundprinzipien der Wechselbeziehung zwischen Licht und Materie. Für diese Arbeit, und nicht für die Relativitätstheorie, erhielt er 1922 den Nobelpreis.