Once in Bern, he earned his living by teaching private lessons in physics and mathematics to pupils and students which he advertised in a local newspaper. In early June, Einstein was finally employed at the Patent Office as a technical expert 3rd class. In September of that year his first paper on the foundations of the molecular (kinetic) theory of heat was published in the Annals of Physics.
On October 10, Einstein’s father passed away in Milan. Shortly before his death, he had given permission to his son to marry his study colleague and girlfriend Mileva Marić.
Einmal in Bern, verdiente er seinen Lebensunterhalt durch Nachhilfe in Physik und Mathematik für Schüler und Studenten, die er in einer Lokalzeitung anbot. Anfang Juni wurde Einstein schließlich als technischer Experte 3. Klasse beim Patentamt angestellt. Im September desselben Jahres wurde seine erste Arbeit über die Grundlagen der molekularen (kinetischen) Theorie der Wärme in den Annalen der Physik veröffentlicht.
Am 10. Oktober verstarb Einsteins Vater in Mailand. Kurz vor seinem Tod hatte er seinem Sohn die Erlaubnis gegeben, seine Studienkollegin und Freundin Mileva Marić zu heiraten.
On and after the Easter holidays 1903, Einstein met with his friends Maurice Solovine and Conrad Habicht for regular intellectual exchanges and discussions on a variety of scientific and philosophical topics. The group, named Akademie Olympia, lasted until 1905, and was warmly remembered by Einstein until the end of his life. On May 2nd, Einstein joined the Society for Natural Sciences Bern (SNSB) as a member.
At the end of October, Mileva and Albert rented an apartment in the old-town region of Bern at Kramgasse 49. In early December, Einstein contributed to the programme of the SNSB by delivering his first talk entitled ‘The theory of electromagnetic waves’.
Zu und nach den Osterferien 1903 traf sich Einstein regelmässig mit seinen Freunden Maurice Solovine und Conrad Habicht zu intellektuellem Austausch und Diskussionen über wissenschaftliche und philosophische Themen. Die Gruppe, die den Namen «Akademie Olympia» trug, bestand bis 1905 und wurde von Einstein bis ans Ende seines Lebens in warmherziger Erinnerung behalten. Am 2. Mai trat Einstein der Naturforschenden Gesellschaft Bern (NGB) als Mitglied bei.
Ende Oktober mieteten Mileva und Albert eine Wohnung in der Berner Altstadt an der Kramgasse 49. Anfang Dezember trug Einstein zum Programm der NGB bei, indem er seinen ersten Vortrag über «Die Theorie der elektromagnetischen Wellen» hielt.
In June the third paper of Einstein, dedicated to The Theory of Heat with an application to black-body radiation and confirming the already known displacement law of Willi Wien, appeared in the Annals. In mid-September, Einstein obtained a permanent employment at the Patent Office, combined with a significant enhancement of the salary. Im Juni erschien Einsteins dritte Arbeit in den Annalen, die der Theorie der Wärme gewidmet war und diese auf die Schwarzkörperstrahlung anwandte, wobei das bereits bekannte Verschiebungsgesetz von Willi Wien bestätigt wurde. Mitte September erhielt Einstein eine Festanstellung beim Patentamt, verbunden mit einer deutlichen Gehaltserhöhung.
Apart from an academic environment (universities) he, all alone, succeeded in a rather short time to shake up the then current fundamental understanding of physics and to open up far reaching scientific perspectives. In view of his 48 hour per week work load at the Office, this feat is really astounding. There is to add that during that same time period, Einstein and his family travelled abroad to Zagreb and Novi Sad to visit Mileva’s family.
In the first of these papers, addressing “Energetic Properties of Light”, he argued that there must be a fundamental difference between the description of the propagation of light and of its interaction with matter, respectively. He emphasized the discrepancy between the well established propagation of light as a travelling electromagnetic wave and, as he concluded from considering the thermodynamic properties of radiation, the obtruding description of light emission and -absorption in the form of quantized energy transfers between radiation and matter. Of course, he recognized the emerging fundamental problem which bothered him continuously, but he could not find a satisfactory solution for many years to come. It was, however, this work which finally earned him the Nobel prize in 1921.
In the second publication Einstein attempted to determine the size of molecules or atoms, respectively, by analyzing diffusion phenomena in dilute solutions and their relation to internal friction. He submitted this essay, directly proving the molecular structure of materials, as his doctoral dissertation to the University of Zürich and dedicated it to his friend Marcel Grossmann.
With the third publication, Einstein succeeded in offering an understanding of the long and well known but yet unexplained Brownian motion, i.e., the thermally induced motion of suspended particles in liquids at rest. From his discussion, involving the theory of heat, it follows that with an optical microscope it is possible to experimentally determine Avogadro’s number, i.e., the number of atoms contained in a unit volume. A really surprising result.
Most attention on short terms generated the fourth paper on “Electrodynamics of moving bodies” which he later, after the advent of the General Theory of Relativity 1915, renamed as the “Special Theory of Relativity”. The insight that the state of absolute rest cannot be verified by experiment led Einstein to formulate the so-called “principle of relativity” and postulated it to be universally valid. With the additional assumption that the speed of light in vacuum is fixed, i.e., the speed of light is independent of the velocity of a moving light source, he, by applying kinematics, succeeded in finding new relations between space- and time coordinates which are, to a large extent, counterintuitive.
In the last of the five mentioned publications of that short period of time, Einstein described a consequence of his Theory of Relativity and showed that energy and mass are equivalent as formally is captured in the famous equation E = mc2. To be precise, here E denotes the ‘rest energy E0‘. Note that the mass of a body is independent of its motion.
Abseits eines akademischen Umfelds (Universitäten) gelang es ihm, ganz alleine und in recht kurzer Zeit, das damalige Grundverständnis der Physik zu erschüttern und weitreichende wissenschaftliche Perspektiven zu eröffnen. Angesichts seiner 48-Stunden-Woche im Amt ist diese Leistung wirklich erstaunlich. Hinzuzufügen ist, dass Einstein und seine Familie in dieser Zeit ins Ausland reisten – nach Zagreb und Novi Sad, um Milevas Familie zu besuchen.
In der ersten dieser Arbeiten, die sich mit den «Energetischen Eigenschaften des Lichts» befasste, argumentierte er, dass es einen grundlegenden Unterschied zwischen der Beschreibung der Ausbreitung des Lichts und seiner Wechselwirkung mit Materie geben müsse. Er betonte den Widerspruch zwischen der gut etablierten Wellenausbreitung des Lichts als elektromagnetische Welle und der sich aufdrängenden Beschreibung von Lichtemission und -absorption in Form quantisierter Energieübertragungen zwischen Strahlung und Materie. Dieses grundlegende Problem erkannte er zwar, fand aber viele Jahre lang keine befriedigende Lösung. Es war jedoch diese Arbeit, die ihm schliesslich 1921 den Nobelpreis einbrachte.
In der zweiten Publikation versuchte Einstein, die Grösse von Molekülen bzw. Atomen zu bestimmen, indem er Diffusionsphänomene in verdünnten Lösungen und deren Verhältnis zur inneren Reibung analysierte. Diese Abhandlung, die direkt die molekulare Struktur der Materie bewies, reichte er als Doktordissertation an der Universität Zürich ein und widmete sie seinem Freund Marcel Grossmann.
Mit der dritten Publikation gelang es Einstein, ein Verständnis der seit langem bekannten, aber bis dahin unerklärten Brownschen Bewegung anzubieten – also der thermisch induzierten Bewegung suspendierter Teilchen in ruhenden Flüssigkeiten. Aus seiner Diskussion, die die Wärmetheorie einbezog, folgt, dass mit einem Lichtmikroskop die Avogadro-Konstante – also die Anzahl der in einem Einheitsvolumen enthaltenen Atome – experimentell bestimmt werden kann. Ein wirklich überraschendes Ergebnis.
Das grösste kurzfristige Aufsehen erregte die vierte Arbeit über die «Elektrodynamik bewegter Körper», die Einstein später, nach dem Erscheinen der Allgemeinen Relativitätstheorie 1915, in «Spezielle Relativitätstheorie» umbenannte. Die Erkenntnis, dass der Zustand der absoluten Ruhe durch kein Experiment nachweisbar ist, veranlasste Einstein, das sogenannte «Relativitätsprinzip» zu formulieren und es als universell gültig zu postulieren. Mit der zusätzlichen Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist – also unabhängig von der Geschwindigkeit einer bewegten Lichtquelle –, gelang es ihm, mithilfe der Kinematik neue Beziehungen zwischen Raum- und Zeitkoordinaten herzuleiten, die weitgehend kontraintuitiv sind.
In der letzten der fünf genannten Publikationen aus diesem kurzen Zeitraum beschrieb Einstein eine Konsequenz seiner Relativitätstheorie und zeigte, dass Energie und Masse äquivalent sind, was formal in der berühmten Gleichung E = mc2 zum Ausdruck kommt. Genauer gesagt bezeichnet E hier die «Ruheenergie E0». Die Masse eines Körpers ist dabei unabhängig von seiner Bewegung.
During March and April of that year, H.A. Lorentz, Nobel laureate for physics in 1902, delivered a series of lectures as a guest professor at Columbia University in New York. On that occasion he discussed the content and the consequences of Einsteins new Theory of Relativity, a sure sign that Einstein’s work had already stirred the interest of then leading scientists. Other prompt written reactions on the theory were due to Max von Laue, then assistant of Max Planck, and to Wilhelm Röntgen, the first ever recipient of the Nobelprize in Physics in 1901. Both von Laue (1914) as well as Planck (1918) earned the Nobel prize a few years later.
In one of the various follow-up publications of the series of works completed in 1905, Einstein presented an alternative way to show that the inertia of a body depends on its energy content. Towards the end of the year, Einstein applied his insight of the previous year regarding the discrete or quantized energy transfer related to the emission or absorption of radiation (light), on the description of the energy balance of solid matter. He showed that this approach led to the understanding of the previously measured but puzzling temperature dependence of the specific heat of solids at very low temperatures. In this way he, on hindsight, can also be considered as the founder of modern condensed matter physics, no doubt yet another pioneering step.
In den Monaten März und April hielt H.A. Lorentz, Nobelpreisträger für Physik 1902, als Gastprofessor an der Columbia University in New York eine Reihe von Vorlesungen. Dabei besprach er Inhalt und Konsequenzen von Einsteins neuer Relativitätstheorie – ein sicheres Zeichen dafür, dass Einsteins Arbeit bereits das Interesse führender Wissenschaftler auf sich gezogen hatte. Weitere prompte schriftliche Reaktionen auf die Theorie kamen von Max von Laue, damals Assistent von Max Planck, sowie von Wilhelm Röntgen, dem ersten Empfänger des Nobelpreises für Physik im Jahr 1901. Sowohl von Laue (1914) als auch Planck (1918) erhielten wenige Jahre später selbst den Nobelpreis.
In einer der zahlreichen Folgearbeiten zur 1905 abgeschlossenen Werkserie stellte Einstein einen alternativen Weg vor, um zu zeigen, dass die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängt. Gegen Ende des Jahres wandte Einstein seine Erkenntnis des Vorjahres über den diskreten bzw. gequantelten Energietransfer bei Emission und Absorption von Strahlung (Licht) auf die Beschreibung der Energiebilanz fester Materie an. Er zeigte, dass dieser Ansatz das Verständnis der zuvor gemessenen, aber rätselhaften Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme von Festkörpern bei sehr tiefen Temperaturen ermöglicht. Rückblickend betrachtet kann er damit auch als Begründer der modernen Physik kondensierter Materie gelten – zweifellos ein weiterer bahnbrechender Schritt.
In June, Einstein applied for the permission to teach courses at the University of Bern. Because of Einstein’s reluctance to follow the usual procedure, it was not granted. In August, Einstein and his family spent 10 days of vacation in Lenk, a village in the Bernese Oberland.
Later in the fall, on a request of Johannes Stark (Nobel laureate for physics in 1919) Einstein wrote a review on ‘The principle of relativity and its consequences’. Included in this work was a chapter ‘The Principle of Relativity and Gravitation’. In this, Einstein made the first step towards the general theory of relativity. The mathematically correct formal theory which also provided numerical agreement with a then established experimental result (perihelion rotation of Mercury) had to wait for another 8 years. It was completed by Einstein in November 1915 in Berlin.
Im Juni beantragte Einstein die Erlaubnis, Kurse an der Universität Bern zu halten. Da Einstein das übliche Verfahren nicht einhalten wollte, wurde der Antrag abgelehnt. Im August verbrachte Einstein mit seiner Familie 10 Ferientage in Lenk, einem Dorf im Berner Oberland.
Später im Herbst verfasste Einstein auf Wunsch von Johannes Stark (Nobelpreisträger für Physik 1919) einen Übersichtsartikel über «Das Relativitätsprinzip und seine Konsequenzen». Darin enthalten war ein Kapitel «Das Relativitätsprinzip und die Gravitation». Hierin machte Einstein den ersten Schritt in Richtung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die mathematisch korrekte formale Theorie, die auch numerische Übereinstimmung mit einem damals bekannten experimentellen Ergebnis lieferte (Periheldrehung des Merkurs), musste noch weitere 8 Jahre warten. Sie wurde von Einstein im November 1915 in Berlin vollendet.
In February, Einstein described a method to measure small amounts of electrical charge in the journal Physikalische Zeitschrift. It must be added that neither the method nor the practical layout of the apparatus which Einstein termed ‘the Maschinchen’ were really new. Under his supervision, the instrument was developed by the the brothers Conrad and Paul Habicht. The latter described the apparatus and its functioning in an article which appeared during 1910 again in the Physikalische Zeitschrift.
Starting in April Einstein taught a course on ‘The molecular Theory of Heat’ at the University. After the end of the summer term the family spent 2 weeks of vacation in the Bernese Oberland; this time in Mürren and Isenfluh, for one week each. Scientifically Einstein was involved in both theoretical and experimental activities. The first was a collaboration with Jakob Laub who, as a guest of Einstein, spent 3 weeks in Bern. The second, in the laboratory of Albert Gockel at the University of Fribourg, was dedicated to experiments to optimize the performance of the above mentioned Maschinchen.
His lecture course in the subsequent winter term ‘The theory of radiation’ was poorly attended, most likely due to the rather advanced level on which the topic was presented.
Im Februar beschrieb Einstein in der Physikalischen Zeitschrift eine Methode zur Messung kleiner elektrischer Ladungsmengen. Hinzuzufügen ist, dass weder die Methode noch der praktische Aufbau des Apparats, den Einstein «das Maschinchen» nannte, wirklich neu waren. Unter seiner Aufsicht wurde das Instrument von den Brüdern Conrad und Paul Habicht entwickelt. Letzterer beschrieb den Apparat und seine Funktionsweise in einem Artikel, der 1910 erneut in der Physikalischen Zeitschrift erschien.
Ab April hielt Einstein an der Universität einen Kurs über «Die molekulare Theorie der Wärme». Nach Ende des Sommersemesters verbrachte die Familie 2 Wochen Ferien im Berner Oberland – diesmal in Mürren und Isenfluh, je eine Woche. Wissenschaftlich war Einstein sowohl in theoretischer als auch in experimenteller Hinsicht tätig. Ersteres war eine Zusammenarbeit mit Jakob Laub, der als Gast Einsteins 3 Wochen in Bern verbrachte. Letzteres fand im Labor von Albert Gockel an der Universität Freiburg statt und widmete sich Experimenten zur Optimierung des oben genannten Maschinchens.
Sein Vorlesungskurs im anschliessenden Wintersemester über «Die Theorie der Strahlung» war schwach besucht, was höchstwahrscheinlich auf das recht fortgeschrittene Niveau zurückzuführen war, auf dem das Thema präsentiert wurde.
In May Einstein received an offer of the University of Zürich for an extraordinary professorship for Theoretical Physics. The principal promotor of the offer was Professor Alfred Kleiner, who earlier had recommended to accept Einstein’s submitted thesis and to grant him the doctoral degree in 1906.
In July the University of Geneva chose to honour Einstein, at the age of only 30, with a honorary doctoral degree for his outstanding achievements in the physical sciences.
In September Einstein accepted an invitation to participate at the annual meeting of the ‘Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Aerzte’ in Salzburg (Austria), his first international appearance. In his presentation he spoke on ‘The development of our views on the nature and constitution of radiation’. He realized that he didn’t really reach the audience nor its understanding of what he was trying to convey.
At the beginning of October, he was, for the first time, nominated to receive the Nobel prize. In the middle of the same month he left Bern to take up his duties as a professor at the University of Zürich.
Thus, during his time in Bern Einstein, in a few years, rose from a scientific nobody to one the most influential scientists of his time.
Im Mai erhielt Einstein ein Angebot der Universität Zürich für eine ausserordentliche Professur für Theoretische Physik. Der hauptsächliche Befürworter war Professor Alfred Kleiner, der zuvor empfohlen hatte, Einsteins eingereichte Dissertation anzunehmen und ihm 1906 den Doktortitel zu verleihen.
Im Juli beschloss die Universität Genf, Einstein im Alter von erst 30 Jahren mit der Ehrendoktorwürde für seine herausragenden Leistungen in der Physik auszuzeichnen.
Im September nahm Einstein eine Einladung zur Jahrestagung der «Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte» in Salzburg (Österreich) an – sein erster internationaler Auftritt. In seinem Vortrag sprach er über «Die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung». Er stellte fest, dass er das Publikum und dessen Verständnis für das, was er zu vermitteln suchte, kaum erreichte.
Anfang Oktober wurde er erstmals für den Nobelpreis nominiert. Mitte desselben Monats verliess er Bern, um seine Aufgaben als Professor an der Universität Zürich zu übernehmen.
So stieg Einstein während seiner Zeit in Bern in wenigen Jahren von einem wissenschaftlichen Unbekannten zu einem der einflussreichsten Wissenschaftler seiner Zeit auf.