Quarks & Caspers | Einstein - 7 Dinge, die Sie wissen sollten | 01.12.2015 http://www.quarks.de
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Einstein 7 Dinge, die Sie wissen sollten
Er ist der berühmteste Wissenschaftler aller Zeiten: Albert Einstein – Genie und
Revolutionär der Physik. Er stellte unser Weltbild auf den Kopf und wurde zum
Superstar der Wissenschaft. - Aber was genau war seine geniale Idee? Was hat es
mit der Relativitätstheorie auf sich? Und was ist eigentlich mit seinem Gehirn
passiert? 7 erstaunliche Dinge über Einstein!
Schulabbrecher und Rebell
Was war Einsteins geniale Idee?
Wie viel Einstein steckt in dir?
Wie erträgt man ein Genie?
Die Illusion der Schwerkraft
Albert Einstein Superstar
Einsteins größter Reinfall
Würfelt Gott?
Die Formel aller Formeln
Was bedeutet eigentlich E=mc2?
Einstein und die Atombombe
Einstein for President
Was geschah mit Einsteins Gehirn?
Einstein für Anfänger
Redaktion:
Daniele Jörg
Chefautor:
Ingo Knopf
Autoren:
Katharina Adick,
Sebastian Funk,
Dirk Gilson,
Assistenz:
Ursula Heidtmann
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Schulabbrecher und Rebell Albert Einsteins holpriger Werdegang
Dass aus Albert Einstein mal ein echtes Genie wurde, hätte anfangs niemand
geglaubt. Seine Eltern machten sich Sorgen: Es dauerte lange, bis Albert zu
sprechen begann. Sein Kindermädchen hielt ihn für dumm und auch in der Schule
hatte Einstein eine Menge Probleme – sein Gymnasium in München verließ er
ohne Abschluss.
Mythos schlechter Schüler
Bis heute hält sich das Gerücht, Einstein sei ein schlechter Schüler gewesen.
Doch das stimmt nicht. Um dem Militärdienst im Deutschen Reich zu entkommen,
wanderte Einstein im Alter von 16 Jahren in die Schweiz aus und holte dort auch
sein Abitur nach. Tatsächlich hatte er in Mathe und Physik nur Fünfen und
Sechsen. Doch zu dieser Zeit war in der Schweiz die Sechs die beste Schulnote –
und Eins die schlechteste.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Lesetipp
Albert Einstein
Autoren: Horst Ziegelmann, Jürgen Renn,
Ernst Peter Fischer
Verlagsangaben: be.bra Verlag, Mai 2012,
ISBN: 978-3-937233-91-8
Sonstiges: 224 Seiten, 56 Abbildungen, gebunden,
32,00 Euro
Ein sehr lesenswertes Buch für jeden, der mehr über den Menschen Einstein
erfahren möchte und verstehen will, in welchem historischem und
wissenschaftlichem Umfeld er seine Theorien entwickelt hat. Drei ausgewiesene
Einstein-Experten schreiben in drei verständlich geschriebenen Kapiteln über sein
Leben, wie er auf seine Relativitätstheorie kam und über Einsteins Beitrag zur
Quantentheorie.
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Was war Einsteins geniale Idee? Wie Einstein auf die Relativitätstheorie kam
Eigentlich kennen wir es so: Geschwindigkeiten addieren sich. Wirft man zum
Beispiel einen Ball aus einem fahrenden Auto nach vorne, dann fliegt der Ball
schneller, als wenn man ihn im Stehen abwirft. Ganz anders ist das beim Licht.
Um 1900 konnten Wissenschaftler in Experiment beweisen: Lichtstrahlen breiten
sich immer gleich schnell aus – und zwar ganz unabhängig davon, wie schnell sich
die Lichtquelle bewegt.
Einsteins Schlussfolgerung: Die Zeit ist relativ
Physiker konnten sich die Ergebnisse zuerst nicht erklären. Doch Einstein machte
ein Gedankenexperiment und kam zu dem Schluss: Wenn die
Lichtgeschwindigkeit tatsächlich absolut ist, dann stimmt unser physikalisches
Weltbild nicht mehr. Zeit ist dann nicht absolut, sondern relativ. Je schneller man
sich bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Es war der Beginn einer völlig
neuen Physik.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
Linktipp
Die Relativitätstheorie – einfach und verständlich erklärt
http://www.einstein-online.info/einsteiger
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Wie viel Einstein steckt in dir? So einfach lässt sich die Relativität der Zeit herleiten
Dass Zeit nicht absolut, sondern relativ ist, war eine der wichtigsten Erkenntnisse
Albert Einsteins. Mit seiner Relativitätstheorie, die auf dieser Erkenntnis aufbaut,
revolutionierte er die Physik. Tatsächlich ist es ganz einfach, den Gedankengang
von Albert Einstein nachzuvollziehen – ohne eine einzige physikalische Formel.
Filmautoren: Sebastian Funk, Dirk Gilson
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Wie erträgt man ein Genie? Die schwierige Ehe von Albert und Mileva Einstein
„Die Ehe ist der erfolglose Versuch, einen Zufall zu etwas dauerhaftem zu
machen.“
Albert Einstein
Glück im Job, Pech in der Liebe: Während Einstein in der Physik durchstartete,
hakte es in seiner Ehe mit Mileva gewaltig. Anfangs teilten sie noch die
Leidenschaft für die Wissenschaft, mit der Zeit aber wurde ihr Verhältnis immer
schwieriger. Der Gipfel: Ein Ehevertrag, der Mileva dazu verpflichtete, ihm nicht zu
nahe zu kommen.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Die Illusion der Schwerkraft Wie ein fallender Mann unser Weltbild auf den Kopf stellte
Einstein saß an seinem Schreibtisch und stellte sich vor, wie ein Mann vom Dach
fällt. Das sei der glücklichste Gedanke seines Lebens gewesen, sagte er später.
Denn Einstein folgerte: Der freie Fall ist identisch mit der Schwerelosigkeit und die
Schwerkraft damit nur eine Illusion.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Albert Einstein Superstar Wie Einstein weltberühmt wurde
Albert Einstein ist der wohl bekannteste Wissenschaftler aller Zeiten. Und er
prägte nicht nur die Physik, sondern auch Film und Fernsehen: Bis heute werden
durchgeknallte Forscher auf der Leinwand gerne mit zotteliger Einstein-Mähne
dargestellt. Weltruhm erlangte Einstein aber nicht durch sein außergewöhnliches
Aussehen. Als 1919 bei einer Sonnenfinsternis seine Relativitätstheorie endgültig
bestätigt wurde, kannte ihn über Nacht fast die ganze Welt.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Einsteins größter Reinfall Warum das Universum doch nicht statisch ist
Eigentlich war Albert Einstein schon auf der richtigen Spur: Seinen Formeln und
Berechnungen nach musste sich das Universum entweder ausdehnen oder mit
der Zeit zusammenziehen. Doch das wollte Einstein nicht glauben: Genau wie die
meisten seiner Physiker-Kollegen ging er davon aus, dass das Universum statisch
sei, seine Größe also nicht verändert.
Das Universum dehnt sich aus
Doch 1929 entdeckte der Astronom Edwin Hubble, dass sich das Universum seit
dem Urknall tatsächlich ausdehnt. Damit war klar: Einstein hatte sich geirrt.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Würfelt Gott? Warum die Welt nicht berechenbar ist
Einsteins Relativitätstheorie beschreibt eine Welt, die wie ein Uhrwerk funktioniert:
Wenn man genau genug misst, kann man alles berechnen. Tatsächlich funktioniert
die Theorie hervorragend, wenn es darum geht, das Universum mit Sternen,
Planeten und Galaxien zu beschreiben und zu erklären. Ganz anders aber bei
Atomen: In dieser winzigen Welt versagt die Relativitätstheorie völlig.
Die seltsame Welt der Quantenphysik
Um die Prozesse in Atomen besser erklären zu können, hatten Physiker zu
Einsteins Zeit eine andere Theorie entwickelt – die Quantentheorie. Obwohl
Einstein sogar die Grundlagen dafür gelegt hat, gefiel ihm diese Theorie überhaupt
nicht: Denn in der Quantenphysik lässt sich nichts genau berechnen. Vieles hängt
vom Zufall ab. Wohin sich zum Beispiel ein Elektron in der Atomhülle bewegt, lässt
sich nicht exakt berechnen, sondern nur mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten
vorhersagen. Einstein wollte das nicht glauben: „Der Alte würfelt nicht“, war seine
Überzeugung. Und er geriet darüber in Streit mit seinen Kollegen.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Die Formel aller Formeln Physiker auf der Suche nach der Weltformel
Es ist das Streben nach mathematischer Schönheit, nach einem einzigen
physikalischen Gesetz, das alle anderen umfasst. Einstein, Heisenberg und viele
berühmte Physiker vor ihnen haben davon geträumt und ihr Leben lang vergeblich
danach gesucht. Heute bewegen sich die Theorien zum Bauplan des Universums
am Rande wissenschaftlicher Beweisbarkeit und klingen oft viel mehr nach
Science Fiction als nach Forschung.
Filmautorin: Katharina Adick
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Was bedeutet eigentlich E=mc²? Die berühmteste Formel der Welt
Einsteins weltberühmte Formel E=mc² ist kurz – und eigentlich auch ziemlich
einfach. Sie besagt letztlich nichts anderes, als dass Masse und Energie
äquivalent sind: Multipliziert man die Masse eines Objekt mit dem Quadrat der
Lichtgeschwindigkeit, so erhält man die enthaltene Energie. Und weil die
Lichtgeschwindigkeit eine ziemlich große Zahl ist, kommt man schnell auf
gigantische Energiemengen. Würde man alle Atome einer herkömmlichen
Büroklammer vollständig in Energie umwandeln können, entspräche dies der
Sprengkraft einer Atombombe.
Strom durch die Umwandlung von Masse in Energie
Verschmilzt man zwei Atome miteinander, wird ein Teil ihrer Masse in Energie
umgewandelt. Dieser Prozess nennt sich Kernfusion. Forscher hoffen, mithilfe von
Kernfusion eines Tages Strom erzeugen zu können.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Einstein und die Atombombe Hat der Physiker bei der Entwicklung geholfen?
Seit 1933 lebt Einstein in den USA. Von dort aus beobachtet er mit Sorge, dass
die Nazis vermutlich an einer Atombombe arbeiten. In einem Brief warnt Einstein
den amerikanischen Präsidenten: Eine Atombombe in den Händen der Nazis
müsse auf jeden Fall verhindert werden.
Forscher bitten Einstein um Hilfe
Als neue Forschungsergebnisse die potenzielle Sprengkraft von Atombomben
zeigen, treiben auch die USA die Entwicklung der Bomben voran. Doch bei der
Herstellung gibt es technische Probleme. Die Ingenieure wenden sich an Einstein.
Filmautorin: Katharina Adick
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Einstein for President Als der Physiker Staatschef werden sollte
Einsteins Interessen galten nicht nur der Wissenschaft, sondern auch der Politik.
Zu Beginn des ersten Weltkriegs unterzeichnete er einen Aufruf gegen den Krieg
und blieb Zeit seines Lebens Pazifist. Zudem war er Sozialist, was ihm in den USA
einige Probleme bereitete: FBI-Agenten beschatteten ihn, zapften sein Telefon an
und durchwühlten seinen Müll. Doch während die USA Einstein wie einen Feind
behandelten, hätte ein anderes Land ihn gerne zu seinem Präsidenten gemacht.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Was geschah mit Einsteins Gehirn? Auf der Suche nach dem Geheimnis seiner Genialität
Die Geschichte von Albert Einsteins Gehirn ist ziemlich bizarr: Denn nach seinem
Tod begann für seine grauen Zellen eine wahre Odyssee. Ohne vorherige
Einwilligung Einsteins und ohne Erlaubnis seiner Angehörigen entnahm der
Pathologe Thomas Harvey bei der Obduktion Einsteins Gehirn. Er zerschnitt es in
240 Scheiben und lagerte sie in Formaldehyd eingelegt in Einmachgläsern in
seinem Keller.
Erst viele Jahre später konnte Harvey, der selber kein Hirnspezialist war,
Hirnforscher davon überzeugen, das Organ zu untersuchen.
Deutsche Bearbeitung: Ingo Knopf
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Einstein für Anfänger Relativitätstheorie zum Mitreden
Welches Weltbild hatten Physiker eigentlich vor Einstein?
Als Einstein 1896 sein Physikstudium in Zürich begann, galt die Physik als
vollständig verstandene Wissenschaft. Zweihundert Jahre zuvor hatte Sir Isaac
Newton die Gesetze der Mechanik beschrieben – und die schienen allgemein
gültig. Newton ging davon aus, dass Zeit und Raum absolut sind. Das heißt:
Weder Raum noch Zeit können von physikalischen Phänomene beeinflusst
werden – wie etwa der Schwerkraft. Als Einstein Student waren, interessierten
sich die Physiker vor allem für die damals neuen Felder der Physik: Elektrizität und
Magnetismus, elektrische Felder, Strom und magnetische Kräfte. Sie rätselten
auch über das Wesen des Lichts: Bekannt war, dass sich Licht wie eine Welle
verhält. Wie Wasserwellen – nur fehlte ein Medium wie Wasser. Deshalb erfand
man den „Äther“, etwas, durch das sich Licht ausbreiten konnte. Und genau das
war damals das heiße Forschungsthema: die Suche nach eben diesem „Äther“.
Was war Einsteins zentrale Idee?
Einstein sagte von sich selbst:
„Ich habe keine besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaftlich
neugierig“.
Seine zentrale Idee war bahnbrechend und stand im völligen Kontrast zur Physik
seiner Zeit. Er suchte eben nicht nach einem „Äther“ – sondern überdachte die
Physik neu und kam zu dem Schluss: Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant.
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Damit war der Äther vom Tisch und es änderte sich alles. Eine maximale
Geschwindigkeit für Licht war ein vollkommener Bruch mit der Mechanik von
Newton und Galilei. Und es bedeutete auch: die Zeit muss relativ sein.
Was heißt das: Die Zeit ist relativ?
„Wenn man mit dem Mädchen, das man liebt, zwei Stunden zusammensitzt, denkt
man, es ist nur eine Minute; wenn man aber nur eine Minute auf einem heißen
Ofen sitzt, denkt man, es sind zwei Stunden - das ist Relativität.“
Diese humorvolle, für Einstein typische Antwort, enthält auch eine wichtige
Wahrheit: Wie schnell die Zeit scheinbar vergeht, hängt vom Betrachter ab. In
Einsteins spezieller Relativitätstheorie, die er 1905 veröffentlichte, gibt es dazu ein
Gedankenexperiment:
Stellen wir uns vor, wir stehen an einer Bahnschranke und ein ICE fährt mit
Höchstgeschwindigkeit vorbei. Wir beobachten dabei einen Fahrgast am Fenster.
Für uns erscheint es so, dass sich der Fahrgast mit hoher Geschwindigkeit an uns
vorbei bewegt, während wir in Ruhe an der Schranke warten. Für den Fahrgast
aber sieht es anders aus: Für ihn bewegen wir uns mit hoher Geschwindigkeit an
seinem Fenster vorbei – im Abteil scheint aber alles in Ruhe. Er merkt nicht, dass
er sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, da sich alles im Abteil mit der gleichen
Geschwindigkeit bewegt. Der einzige Unterscheid zwischen uns und dem
Fahrgast ist unsere relative Geschwindigkeit zueinander – aber genau dieser
Unterschied wirkt sich auf die Zeit aus.
Wir gehen ein paar Schritte – und schaffen einen Meter in einer Sekunde.
Genausoweit kommt der Fahrtgast, wenn er durch den Zug geht. Für uns als
Beobachter aber hat er innerhalb dieser einen Sekunde eine weitaus größere
Strecke zurückgelegt: etwa 55 Meter. Wie aber geht das? Eine so viel größere
Strecke in gleicher Zeit? Eine Erklärung: Die Sekunde im Zug hat länger gedauert
als bei uns an der Schranke. Die Zeit verging also unterschiedlich schnell – man
spricht von einer Zeitdilatation. Auf Deutsch: die Zeit hat sich gedehnt. Das
Zugmodell macht dieses Prinzip klar, aber trotzdem hinkt es etwas: In Einsteins
Welt hätten wir und der Fahrgast uns mit Lichtgeschwindigkeit bewegen müssen.
Dann erst könnte man diese Zeitdilatation messen.
Was ist die Raumzeit?
Vor Einsteins Relativitätstheorie waren die Begriffe Raum und Zeit völlig
voneinander getrennt. Erst durch Einstein sind die drei Dimensionen eines
Raumes untrennbar mit einer weiteren Dimension verbunden: der Zeit. Das
Ergebnis ist ein vierdimensionales Gebilde: die Raumzeit. Alles dehnt sich also
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nicht nur nach links oder rechts, oben oder unten, vorne oder hinten aus –
sondern auch nach vorher oder nachher. Existiert etwas einen Monat lang, hat es
also eine Ausdehnung in der Dimension Zeit, die wir als „einen Monat“
bezeichnen. In dieser Raumzeit ist die Gegenwart nicht anders als die
Vergangenheit oder die Zukunft – sie ist einfach nur ein bestimmter Punkt in der
Raumzeit.
Was ist die Raumzeitkrümmung?
Um die Raumzeit vorstellbar zu machen, stellt man sich gerne ein elastisches
Tuch vor, wie etwa ein Spannbettlaken. Jetzt belasten wir die Raumzeit mit einer
Masse, zum Beispiel mit einem Planeten. Die Masse drückt das Tuch ein und es
bildet sich ein Trichter um den Planeten im Raumzeittuch – wir haben die
Raumzeit gekrümmt. Dadurch verändern sich Raum und Zeit gleichermaßen. Im
Modell mit dem elastischen Tuch rutschen jetzt leichtere Objekte in diesen
Trichter. Für uns erscheint es so, als ob die Objekte eine Schwerkraft erfahren.
Diese Schwerkraft oder Gravitation ist also nur eine Erscheinung der gekrümmten
Raumzeit.
Analog zum Raum wird auch die Zeit gekrümmt. Dies bedeutet, dass die Zeit im
Inneren des Trichters langsamer verläuft als außerhalb des Trichters. Unsere Füße
stehen tiefer im Raumzeittrichter als unser Kopf. Natürlich nicht viel – trotzdem
vergeht die Zeit für unsere Füße langsamer als für unseren Kopf. Nach einer
Lebensdauer von 80 Jahren ist unser Kopf 300 Nanosekunden älter als
unsere Füße.
Was heißt das eigentlich: E=mc2?
Einsteins berühmte Formel E=mc2 ist eigentlich nur ein Bruchteil seiner
Relativitätstheorie. Sie besagt, dass Masse und Energie vergleichbar sind. Jede
Masse kann also auch als Energie verstanden werden und jede Energie auch als
Masse. Etwa bei einem Lichtteilchen: Dieses Teilchen hat keine Masse, sondern
nur Energie. Mit Einsteins Formel kann aus dieser Energie aber eine Masse
berechnet werden. Für die Raumzeit heißt das, dass auch Energie unser
elastisches Raumtuch zeitlich eindellen kann. Je größer die Energie, desto stärker
die Raumzeitkrümmung.
Lange Zeit wurde fälschlicherweise behauptet, dass Einstein mit dieser Formel
den Bau der Atombombe erst möglich gemacht habe. Dies stimmt allerdings
nicht: Mit der Formel konnte lediglich die Energie berechnet werden, die bei
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Kernspaltungen entsteht. Zum Bau einer Atombombe ist sie also nicht geeignet,
sondern lediglich, um die Physik der Kernspaltung zu verstehen.
Was bedeutet das für mich – kann ich Einstein im Alltag spüren?
Auf diese Frage wird häufig ein klassisches Beispiel aus unserem modernen Alltag
herangezogen: das Navigationssystem GPS. Das stimmt auch – zum Teil.
Tatsächlich bewegen sich die GPS-Satelliten so schnell um die Erde, dass die
Atomuhren im Inneren der Satelliten eine andere Zeit messen als wir auf der Erde.
Die Satelliten-Uhren ticken langsamer. Zum Navigieren im dreidimensionalen
Raum benötigt man mindestens drei GPS-Satelliten. Alle drei senden per
Funksignal ihre gemessenen Positionen und Zeiten an uns. Würde unser
Navigationssystem jetzt nur die Information von drei Satelliten bekommen, müsste
es mit Hilfe der Relativitätstheorie die Zeit der Satelliten auf Erdzeit umrechnen –
ansonsten wäre die Positionsbestimmung sehr ungenau. Tut es aber nicht: Unsere
Navis empfangen nicht nur drei, sondern die Signale von vier Satelliten. Und
müssen dadurch eben nicht ständig mit einer irdischen Atomuhr abgleichen – und
so auch keine relativistischen Berechnungen anstellen. Eine kleine Ungenauigkeit
der Position gibt es immer noch, aber die ist vertretbar.
Wo wir Einstein aber wirklich im täglichen Alltag nutzen, sind Radarfallen,
Photovoltaikanlagen und Digitalkameras. Eine Radarfalle muss stets den
relativistischen Zeitfehler zwischen ausgehender und empfangener Radarwelle
berechnen – nur so kann sie die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs berechnen.
Die Technik von Photovoltaikanlagen und Digitalkameras hat zwar mit Einstein zu
tun, aber nichts mit der Relativitätstheorie: Albert Einstein entdeckte den
photoelektrischen Effekt, der dafür sorgt, dass Licht Strom erzeugen kann. So
funktionieren Photovoltaikanlagen. Einstein fand auch heraus, dass
unterschiedlich gefärbtes Licht eine unterschiedliche Menge Strom erzeugt. Der
Bildsensor in einer Digitalkamera nutzt diesen Effekt aus, um ein Farbbild zu
erzeugen. Für genau diese Entdeckung erhielt Albert Einstein 1921 den Nobelpreis
in Physik.
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Westdeutscher Rundfunk Köln
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Quarks & Co
Lisa Weitemeier
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