astronomie community astronomicum.de - Die Spezielle Relativitätstheorie

Albert Einstein ist wohl der Berühmteste Physiker im 20. Jahrhundert. Mit ihm verbindet man die Relativitätstheorie, wofür er nicht seinen Nobelpreis bekam. Man denkt auch, dass man die Relativitätstheorie nicht verstehen kann, weil man zu doof dafür ist. Doch ein ganz kleines bisschen hab selbst ich sie verstanden – glaube ich zumindest.
Durch die Relativitätstheorie wurde die Physik revolutioniert und heute ist sie kaum noch wegzudenken. Einige von uns nutzen Geräte, die nie ohne der Einstein’schen Theorie funktionieren würden. Das Navigationssystem GPS ist ein gutes Beispiel dafür!

Die Relativität schwirrte schon vor Einstein in Köpfen genialer Physiker. So hatte sich auch Galileo Galilei darüber Gedanken gemacht. Um die Relativität zu beweisen, stellte er folgendes Gedanken Experiment auf (das 1632 in seinem Buch „Dialog über die beiden hauptsächlichen zwei Weltsysteme“ gedruckt wurde):

„Schließt euch in Gesellschaft eine Freundes in einen möglichst großen Raum unter Deck eines großen Schiffes ein […] Hängt oben einen kleinen Eimer auf, welcher tropfenweise Wasser in ein enghalsiges Gefäß träufeln lässt […] Nun lasst das Schiff mit jeder beliebigen Geschwindigkeit sich bewegen: Ihr werdet – wenn nur die Bewegung gleichförmig ist und nicht hier- und dorthin schwankend – […] nicht die geringste Veränderung eintreten sehen […] Die Tropfen werden wie zuvor in das untere Gefäß fallen, keine wird nach dem Hinterteil zu fallen, obgleich das Schiff, während der Tropfen in der Luft ist, viele Spannen zurücklegt. […] Aus keiner (Erscheinung) werdet ihr entnehmen können, ob das Schiff fährt oder still steht.“

Und wie wir selber überprüfen können, stimmt das. Fahrt mal mit dem Auto mit einer konstanten Geschwindigkeit und lasst was im Auto runterfallen (von mir aus ein Tischtennisball oder so) und ihr seht, der Ball fällt senkrecht runter.

Was Galileo Galilei damit beweisen wollte, war das, was Kopernikus sagte, dass die Erde mit einer enormen Geschwindigkeit um die Sonne kreiste. Da die Geschwindigkeit gleichförmig ist, merken wir nichts davon (und weil der Weltraum nahezu luftleer ist).

Ein weiterer Effekt, den wir eigentlich alle kennen, ist der, dass wenn wir im Zug sitzen und der Zug im Bahnhof steht. Wir schauen den Zug am gegenüberliegen Gleis an (weil da vielleicht eine hübsche Dame drin sitzt) und plötzlich meinen wir zu fahren. Ok, alles schön und gut. Nachdem wir soweit gefahren sind, dass wir den gegenüberliegenden Zug nicht mehr sehen, bleiben wir abrupt stehen. Ups. Nicht wir sind gefahren, sondern der andere Zug. Und vielleicht hat die hübsche Dame aus dem anderen Zug gemeint, dass wir fahren, und nicht sie. So was passiert, wenn der Zug nur ganz langsam beschleunigt und wir es nicht fühlen, dass er beschleunigt.

Aber hatte ich jetzt recht, dass wir fahren? Eigentlich nicht, weil wir ja standen. Aber wir standen nur relativ zum Bahnhof, zum Erdboden. Wenn wir uns mal das System „unser Zug – anderer Zug“ anschauen, könnten wir nicht sagen, wer sich nun bewegt. Bewegt sich der andere Zug? Oder wir? Oder bewegen wir uns beide? Das können wir nicht feststellen, wenn vorausgesetzt, die Geschwindigkeit gleichförmig ist. Damit hätte ich recht, wenn ich sagen würde, wir fahren. Aber da wir ja so intelligent sind und auch gleichzeitig das System „unserer Zug – Bahnhof“ anschauen, und sehen, dass wir uns relativ zum Bahnhof nicht bewegen, muss sich also zwangsläufig im System „unser Zug – anderer Zug“, der andere Zug bewegen.

Schauen wir uns mal auf einer Autobahn um. Ah, da sind ja zwei Brummifahrer, die sich ein Rennen leisten. Sie brettern mit 110 km/h nebeneinander auf der Autobahn her (obwohl das Überholverbot für LKWs gilt!). Jetzt schau ich mir mal das System „Brummifahrer 1 – Brummifahrer 2“ an: Sie bewegen sich mit einer sagenhaften Geschwindigkeit von 0 km/h zu einander. Aber unglücklicherweise ist ein Falschfahrer auf genau dieser Autobahn unterwegs und kommt mit 120 km/h den Renn-Brummi-Fahrern entgegen. Wenn wir jetzt mal die Brummifahrer und den Falschfahrer anschauen, haben die eine Relativgeschwindigkeit von 230 km/h = 110 km/h + 120 km/h. Man könnte jetzt wie im System „unser Zug – anderer Zug“ nicht feststellen, wer sich nun bewegt, oder ob sich beide bewegen. Eines wissen wir: Gleich werden einer der Brummifahrer und der Falschfahrer mit 230 km/h aufeinander prallen. Aber glücklicherweise sieht der eine Brummifahrer, dass da ein Falschfahrer unterwegs ist und trinkt schnell eine Dose „Red Bull“ und fliegt über den Falschfahrer drüber hinweg.

Es gibt auch noch ein weiteres Gesetzt von Galileo Galilei das hier rein passt: Das Trägheitsgesetz. Es besagt soviel wie, dass wenn ich einen Ball ganz weit wegwerfe, dass er die ganze Zeit die gleiche Geschwindigkeit hat, solange keine äußeren Kräfte auf ihn wirken. Doch leider macht da mir der Luftwiderstand einen Strich durch die Rechnung. Die Bewegungsenergie des Balles wird in Wärme umgewandelt infolge der Abbremsung des runden Dings. Ein besseres Beispiel sind Raumsonden. Grob gesagt, werden die Raumsonden einmal kurz angetrieben und schweben dann ohne weitere Beschleunigung z.B. zum Mars. Dabei verfolgen die Sonden, wenn man jetzt mal kurz die Sonne, Venus, Merkur usw. wegmacht, eine nahezu geradlinige Bahn.

Diese beiden Gesetzte hat dann ein bisschen später der uns Allen bekannte Isaac Newton übernommen, in exakte mathematische Sprache gefasst und ein bisschen weiter gedacht. Er hat sich überlegt, woher will man wissen, ob ein Objekt im Weltraum gerade aus fliegt? Dort gibt es ja keine festen Bezugspunkte. Also hat er gesagt, dass es einen absoluten Raum gibt, der immer so bleibt und durch nichts verändert werden kann. Er hat also ein schönes Koordinatensystem in das All gemalt. Dann konnte man schauen, ob sich nun ein Objekt bewegt oder grad ganz still steht. Aber für ein Koordinatensystem braucht man einen Nullpunkt. Also hat er kurz um den Mittelpunkt des Universums da hin gesetzt, wo unsere Sonne ist. Aber um jetzt festzustellen ob sich was bewegt muss man auch die zeit definieren. Denn die Geschwindigkeit setzt sich ja aus Weg durch dafür benötigte Zeit zusammen. Er legte fest, dass „die absolute, wahre und mathematische Zeit“ an sich verfließt „und vermöge der Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand“.

Newton hatte damit einen starren Kasten kreiert, in dem sich alles Abspielt. Es gab zwar ein paar Leute, die daran gezweifelt hatte, aber sie konnte nichts gegenteiliges beweisen; wieso auch?, es ließ sich alles wunderbar beschreiben, die Himmelsmechanik und das, was man so auf der Erde erlebt hat.

So ab Mitte des 19. Jahrhunderts fing man an, sich die Elektrizität vorzunehmen und den Magnetismus. Man fing an, herumzuexperimentieren und um 1860 gelang es dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell, alles bis dahin bekannten elektromagnetischen Phänomene in eine einzige mathematische Theorie zu packen. In seinem Werk „A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field“ schrieb er, dass bewegte, elektrische Ladung Wellen abstrahlt: Die elektromagnetische Wellen. Seine Gleichungen ergaben außerdem, dass sich die Wellen mit einer Geschwindigkeit nahe der, der damals bekannten Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Daraus schloss er, dass Licht auch Elektromagnetische wellen sind. Und dies gelang 1887 dem deutschen Physiker Heinrich Hertz: Er erzeugte Radiowellen. Radiowellen gehören ebenso zum elektromagnetischem Spektrum wie Mikrowellen, Infrarot, unser sichtbares Licht, UV-Licht, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.

Jetzt gab es aber ein Problem: Wasserwellen breiten sich im Wasser aus. Schallwellen breiten sich z.B. in Luft aus. Worin breiten sich dann elektromagnetische Wellen aus? Damit war dann schon der Äther geboren. Eine Substanz die uns alle, alles und überhaupt alles umgeben soll. Jedoch gab es noch ein Problem: Man konnte diesen Äther nicht nachweisen. In keinem Experiment. Noch ein Problem: Irgendwie widersprachen sich die Newton’sche Theorie und die von Maxwell. Nach Newton liefen alle mechanischen Vorgänge gleich ab, egal ob das System nun ruht oder nicht. Die Maxwell’schen Gleichungen galten aber nur in Systemen, die relativ zum Äther ruhen. So sagte man, dass der Äther bei Newton im Raum ruhe. Also wäre Raum = Äther. Hä?

Der Amerikaner Albert A. Michelson machte 1881 in Potsdam ein Experiment, mit dem er die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Richtungen zum Äther messen wollte. Da er sich ja auf der Erde befand, bewegte er sich mit einer unbekannten Geschwindigkeit im Äther. Sein Experiment sah wie folgt aus: Er nahm einen Lichtstrahl und spaltete ihn auf, so dass die beiden Neuen Lichtstrahlen senkrecht zu einander verlaufen. Die beiden Lichtstrahle wurden beide nach der gleichen Strecke mit einem Spiegel zurückgeworfen und trafen auf einen Detektor. Danach wurde dann die Laufzeit des Lichtes gemessen, also wie lang der Strahl 1 für seinen Weg von der Lichtquelle zum Detektor gebraucht hatte, ebenso wie lang Strahl 2 dafür brauchte. Da nun die beiden Lichtstrahle senkrecht zu einander verliefen und somit auch das Licht sich in unterschiedliche Richtungen im Äther ausbreitete, müssten sich Laufzeitunterscheide bemerkbar machen. Doch dem war nicht so. Beide Lichtstrahle brauchten genau gleichlang für diese Strecken.

1887 wiederholte er sein Experiment mit Edward W. Morley in den USA. Nachdem sie den Versuchsaufbau verfeinert hatten, war das Ergebnis genau gleich. Das Licht brauchte wieder gleich lang. Das Licht hatte auch immer die gleiche Geschwindigkeit, egal ob man sich auf das Licht zu bewegt, oder weg geht.

„Housten, wir haben ein Problem“

Man suchte nach Ideen und Möglichkeiten, wie man dieses Phänomen erklären konnte. Sehr interessant war die Idee von dem Niederländer Hendrik Anton Lorentz, dem Ire George Fitzgerald und dem Franzosen Henri Poincaré. Sie erklärten die Erscheinung so, dass sich die Messapparatur, und somit eigentlich alles, in Bewegungsrichtung verkürzt. Lorentz konnte sogar eine Formel angeben, wie weit sich alles Verkürzt. Dies führte dazu, das man sich versuchte zu erklären, wie zwei gleichschnelle Lichtstrahlen zwei unterschiedlich lange strecken in gleicher Zeit zurücklegen konnten. Lorentz ordnete einfach jedem Lichtstrahl eine „lokale Zeit zu“.

Und dieser Ansatz kam der Speziellen Relativitätstheorie wirklich recht nah. Und tatsächlich war die Gleichung von Lorentz sogar richtig! Aber der Äther wurde bis jetzt nicht bewiesen. Und jetzt fragt man sich, „hat Einstein einfach nur abgeschaut?“.

Das soll doch bitte Herr Lorentz selber klären: „Daher führte ich das Konzept der Lokalen Zeit ein, die für relativ zueinander bewegende Bezugssysteme verschieden ist. Ich dachte aber nie, dass sie etwas mit der wirklichen Zeit zu tun hat. Die wirkliche Zeit war für mich noch immer durch das Konzept einer absoluten Zeit gegeben, die unabhängig von jedem Koordinatensystem ist. Es gab für mich nur diese eine wahre Zeit. Ich betrachtete die Zeittransformation nur als heuristische Arbeitshypothese. So ist die Relativitätstheorie wirklich allein Einsteins Werk.“

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