Prüfstand · Bern 1902–1909

Das Berner Patentamt

Sieben Jahre lang prüfte Albert Einstein in Bern die Erfindungen anderer. Jetzt bist du dran: Stell Bahnhofsuhren per Lichtsignal gleich und lehne sechs Erfindungen ab, die nie funktionieren können.

Sieben Jahre am Prüfertisch

Albert Einstein sitzt an einem Schreibtisch, um 1905 in Bern
Einstein in Bern, um 1905.Bild: Lucien Chavan. Gemeinfrei, über Wikimedia Commons (Quelle)

Am 23. Juni 1902 trat Einstein, damals 23 Jahre alt, seine Stelle am Eidgenössischen Amt für geistiges Eigentum in Bern an, als „technischer Experte 3. Klasse“. Eine Assistentenstelle an einer Hochschule hatte er nach dem Diplom nicht bekommen; den Posten vermittelte der Vater seines Studienfreundes Marcel Grossmann. Auf seinem Tisch landeten Patentgesuche aller Art, darunter eine Kiessortiermaschine und eine elektrische Schreibmaschine.

In diese Jahre fällt sein Wunderjahr 1905. 1907, noch im Amt, kam ihm der Gedanke, den er später den glücklichsten seines Lebens nannte: Wer frei fällt, spürt sein eigenes Gewicht nicht. 1909 verließ er das Amt und wurde außerordentlicher Professor an der Universität Zürich.

Gedankenexperiment · Bern 1905

Das Uhren-Spiel: Genf, Bern, Zürich

Was heißt es, dass zwei Uhren an verschiedenen Orten „gleich gehen“? Einstein stellte genau diese Frage an den Anfang seiner Arbeit über die Relativität. Stell drei Bahnhofsuhren per Lichtsignal gleich. Klingt einfach, aber das Signal braucht selbst Zeit.

Wenn ich z. B. sage: „Jener Zug kommt hier um 7 Uhr an,“ so heißt dies etwa: „Das Zeigen des kleinen Zeigers meiner Uhr auf 7 und das Ankommen des Zuges sind gleichzeitige Ereignisse.“Albert EinsteinZur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik 17 (1905), S. 893

Interaktiv · Gedankenexperiment

Die Berner Uhren gleichstellen

129,5 km95,5 km Luftlinie, vereinfacht auf eine Gerade Genf Zürich Bern
µs

Genf

geht 2,0 s nach

µs

Bern

Hauptuhr: gibt die Zeit vor

µs

Zürich

geht 3,0 s vor

Zeitlupe: Eine Sekunde im Spiel sind 250 Mikrosekunden (µs, Millionstelsekunden). Der kleine Zeiger in jeder Uhr macht eine Runde pro 1000 µs.

Bern hat die Hauptuhr. Um 12 Uhr schickt Bern ein Lichtsignal mit der Nachricht „Jetzt ist es genau 12 Uhr“. Zürich und Genf stellen ihre Uhren darauf, sobald das Signal ankommt.

Die Spieluhren zeigen Millionstelsekunden; es geht um das Prinzip, nicht um die Uhrentechnik von 1905. Gerechnet wird mit einem Lichtsignal; ein Strom im Telegrafendraht wäre langsamer, am Verfahren änderte das nichts.

Für Neugierige: die Rechnung

Laufzeit. Licht legt 299 792 km pro Sekunde zurück, also knapp 0,3 km pro Mikrosekunde. Bern–Zürich (95,5 km Luftlinie): 95,5 ÷ 0,2998 ≈ 318,6 µs. Bern–Genf (129,5 km): ≈ 432,0 µs. Die drei Städte liegen fast auf einer Linie; das Spiel rechnet sie als Gerade.

Einsteins Regel (1905). Ein Lichtsignal verlässt A zur A-Zeit tA, wird in B zur B-Zeit tB zurückgespiegelt und ist zur A-Zeit t′A wieder in A. Die Uhren gehen synchron, wenn tB − tA = t′A − tB. Also muss B auf tA plus die halbe Zeit für Hin- und Rückweg gestellt werden.

Aus dem Zug. Der Zug fährt mit v = β·c. Nach der Lorentz-Transformation gilt für die Zugzeit t′ = γ·(t − v·x/c²). Alle Ereignisse, die für den Zug gleichzeitig mit „Zug in Bern“ (x = 0, t = 0) sind, haben t′ = 0, also t = v·x/c² = β·(x/c). Bei β = 0,6 zeigt die Uhr in Zürich (x/c ≈ 318,56 µs) dann 0,6 · 318,56 ≈ 191,1 µs mehr als Bern, die Uhr in Genf 0,6 · 431,96 ≈ 259,2 µs weniger. Zugleich ist die Strecke für den Zug um den Faktor γ = 1,25 kürzer.

Und ein echter Zug? Mit 100 km/h verschiebt sich das Jetzt zwischen Bern und Zürich nur um rund 30 Billionstelsekunden. Deshalb merkt im Alltag niemand etwas davon.

Prüfung

Sechs Akten auf dem Tisch

Die folgenden Patentgesuche sind ausgedacht, Namen und Daten ebenso. Die Naturgesetze, an denen sie scheitern, sind echt. Finde das Bauteil, das so nicht funktionieren kann, nenne das verletzte Prinzip und stemple die Akte. Welche Akten du schon abgelehnt hast, merkt sich nur dein Browser.

Interaktiv · Prüfung

Sechs Patent-Akten

0 von 6 Gesuchen abgelehnt

Eidg. Amt für geistiges Eigentum · Bern

Gesuch Nr. 1 · Eingang: 14. März 1905

Ausgedachte Akte · kein echtes Gesuch

Augenblicks-Telegraf mit starrer Stange

Anmelder: Theodor Flink, Telegrafenmechaniker, Biel

Anspruch des Erfinders

„Eine Stahlstange von 300 000 km Länge verbindet Taste und Glocke. Drücke ich die Taste, schiebt sich die Stange als Ganzes vor, und am fernen Ende klingelt es im selben Augenblick. So eilt meine Nachricht dem Licht davon.“

1 · Welches Bauteil kann so nicht funktionieren?

2 · Gegen welches Prinzip verstößt es?

3 · Entscheiden

Auflösung und Begründung

Eine Stange ist nie völlig starr. Drückst du an einem Ende, läuft der Stoß als Welle durch das Metall, in Stahl mit knapp 6 km pro Sekunde. Über 300 000 km bräuchte er rund 14 Stunden, das Licht nur etwa eine Sekunde. Kein Material kann einen Stoß schneller als das Licht weitergeben; sonst könnte man Nachrichten schneller als Licht schicken, und Ursache und Wirkung gerieten durcheinander.

Rechnung: 300 000 000 m ÷ 6000 m/s = 50 000 s ≈ 13,9 h · Licht: 300 000 km ÷ 299 792 km/s ≈ 1,0007 s

Mehr dazu: Spezielle Relativitätstheorie