Alles relativ?

100 Jahre Relativitätstheorie

Eine Idee hat seit 1905 das wissenschaftliche Bild der Welt vollständig verändert. Es erstaunt noch heute, wie rasend schnell sie sich durchgesetzt hat. Die Bestätigung durch die Sonnenfinsternis 1919 brachte schon den weltweiten Durchbruch.

Aber - verstehen Sie die Relativitätstheorie? Sie sagen nicht rundheraus ja? Ehrlich gesagt, ich kann diese Frage trotz jahrzehntelanger Beschäftigung auch nicht vollständig bejahen. Auch Physiker kann man mit dieser Frage peinlich berühren. Aus meiner Sicht ist die Relativitätstheorie dann am einfachsten grundsätzlich zu verstehen, wenn man die Entwicklung des Weltbildes analysiert, bis zur Situation um 1900.

Die 7 Schritte zur Relativitätstheorie

1. Schritt: Die Vorsokratiker und Aristoteles postulieren den Äther

Die alten Griechen interessierte vor allem der Ursprung von allem. Thales lehrte, der Ursprung der materiellen Dinge sei das "Wasser", Anaximenes die "Luft", Heraklit das "Feuer" . Aristoteles hat dann alles zusammengefasst und daraus die Lehre von den 5 Elementen gemacht. Wer nun diese Lehre für einfach und naiv hält, der hat Aristoteles entweder nicht gelesen oder wichtige Passagen überlesen. Er schreibt ausdrücklich, dass alles, was wir normalerweise so wahrnehmen, zum Element "Erde" gehört. Unser physisches Wasser, unsere Atem-Luft und auch Flammen eines Lager-Feuers gehören damit zum Element "Erde". Damit ist alles, was jenseits dieses Elementes "Erde" liegt, feinstofflich bzw. ätherisch. Und über allem gibt es nach Aristoteles noch das 5. Element, die quinta essentia, den Äther.

2. Schritt: René Descartes (1596 - 1650) greift die Idee des Äthers wieder auf

Er führte die Materie mit all ihren physikalischen Erscheinungen auf drei Elemente, Feuer, Luft und Erde, zurück. Er stellte sich diese Elemente aus winzigen, kugelförmigen Partikeln vor, wobei die Partikel des feineren Elementes jeweils so fein sind, dass sie die Zwischenräume der größeren Partikel ausfüllen. Die unmittelbare Einwirkung dieser Partikel aufeinander sollte in seiner Theorie alle physikalischen Prinzipien erklären. Der ganze Weltraum war danach von einer unsichtbaren Substanz ausgefüllt, die er dem second élément, dem Feuer zuordnete.

3. Schritt: Newton und Huygens entwickeln die wesentlichen Theorien über das Licht

Christiaan Huygens (1629 - 1695) konnte sich die große Geschwindigkeit des Lichts nur als Wellenphänomen vorstellen. Er entwickelte eine umfassende Äthertheorie, mit der er die wesentlichen Phänomene des Lichts gut erklären konnte. Seine Arbeiten blieben zunächst aber eher unbeachtet. Der englische Physiker und Okkultist Isaac Newton (1642 - 1727) beschäftigte sich neben der Gravitation auch mit der Natur des Lichtes. Er vermutete, dass das Licht aus Teilchen besteht, und wurde zum neuzeitlichen Urheber der Teilchentheorie des Lichts, die in der Folge vorherrschte. 4. Schritt: Der Young'sche Doppelspaltversuch erschüttert die Teilchentheorie des Lichts. Mit diesem von Thomas Young 1802 durchgeführten Versuch wandelte sich das physikalische Selbstverständnis wieder grundsätzlich. Die Interferenzerscheinungen des Doppelspaltversuches ließen damals nur den Schluss zu, dass die Erscheinungen des Lichts Wellenphänomene sind. Wenn das Licht eine Welle ist, worin bewegt sie sich? Man postulierte also die Existenz eines so genannten "Lichtäthers" und begann ihn zu suchen.

Abb. 1: Wenn man Licht durch einen Spalt lässt, erscheint ein Balken. Wenn Licht aber durch zwei nahe beieinanderliegende Spalten durchgeht, entstehen mehrere Streifen.

Es tritt Interferenz auf, ein Phänomen aus der Wellentheorie. So nahm man danach an, dass Licht eine Welle sei, also eine Bewegung in einem feinen Medium, dem Lichtäther.

5. Schritt: Der Versuch von Fizeau lässt auf das Vorhandensein eines Lichtäthers schließen

 Wegen der sehr großen Lichtgeschwindigkeit ist es sehr schwierig, Unterschiede in der Lichtgeschwindigkeit überhaupt zu messen. Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819 - 1896) führte einen Versuch durch, in welchem er einen Unterschied der Lichtgeschwindigkeit feststellte, wenn er Licht mit oder gegen strömendes Wasser schickte.

Abb. 2: Durch einen halbdurchlässigen Spiegel wurde Licht aufgespalten und mit der und gegen die Strömungsrichtung des Wassers geleitet. Bei der Zusammenführung traten dann zwischen den beiden Strahlen Interferenzerscheinungen in Abhängigkeit von der Wassergeschwindigkeit auf. Dies deutet darauf hin, dass das angenommene Trägermedium des Lichts vom Wasser mitgenommen wird und damit Laufzeitunterschiede zwischen Lichtwegen entstehen.

6. Schritt: Der Michelson-Morley-Versuch zum Beweis des Lichtäthers

Der amerikanische Experimentalphysiker Albert A. Michelson (1852 - 1931) entwickelte ein Experiment mit einem drehbaren Interferometer. Da man dachte, dass sich die Erde in einem Lichtäther bewegt, müssen bei den verschiedenen Lichtwegen auf dem Weg der Erde um die Sonne Laufzeitunterschiede feststellbar sein. Man erwartete Werte in der Größenordnung der Geschwindigkeit um die Sonne, also um 30 km/sek. Michelson maß 1887 Geschwindigkeitsunterschiede des Lichts - einen so genannten Ätherwind -- von nur 8 - 11 km/sek. Michelson war aber so enttäuscht, nicht größere Werte gemessen zu haben, dass er in der Veröffentlichung nur bemerkte, dass die Theorie des ruhenden Äthers damit widerlegt sei.

Abb. 3: Auch hier wird ein Lichtstrahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel aufgespaltet. Die beiden Strahlen bewegen sich nun auf die beiden Spiegel zu. Wenn sie auf ihren Wegen durch einen angenommenen Ätherwind unterschiedlich lange brauchen, kann das bei Drehung der gesamten Versuchseinrichtung durch Interferenzphänomene erkannt werden.

7. Schritt: Die Ergebnisse des Michelson-Morely-Versuches werden ignoriert

Was dann passierte, ist bis heute rätselhaft. Verständlich ist, dass man anfangs die niedrigen gemessenen Geschwindigkeiten von ca 10 km/sek statt ca. 30 km/sek nicht interpretieren konnte. Schon bald wurde eingeworfen, dass die Annahme eines ruhenden Äthers wahrscheinlich falsch war. Wieso sollte ein Äther nicht von der Erde und von der Drehung des Sonnensystems mitgenommen werden? Dann bewegt sich jede Versuchseinrichtung mit dem Äther mit und man kann nur wesentlich kleinere Differenzgeschwindigkeiten messen. Aber in der Folge negierte man jedes positive Ergebnis.

Noch heute wird in der Literatur der Befürworter der Relativitätstheorie beim Michelson-Morley-Versuch von einem Nullergebnis gesprochen. Man behauptet, dass die Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) in alle Richtungen stets gleich sei - dies völlig unabhängig von der Geschwindigkeit des Senders bzw. Empfängers des Lichts. Diese Annahme wäre aber nur richtig, wenn Michelson/Morley tatsächlich statt ca. 10 km/sek keinerlei Geschwindigkeitsunterschied - also 0 km/sek - gemessen hätten. Heute wird dies mit dem Hinweis auf mangelhafte Versuchseinrichtungen erklärt.

8. Schritt: Einstein entwickelt die spezielle Relativitätstheorie

Einstein hat sich nun mit den Auswirkungen eines Nullergebnisses des Michelson-Morley-Versuches beschäftigt und hat eine neue Vorgehensweise in die Physik gebracht. Popper bezeichnete dies später als heuristische Methode. Einstein versuchte dabei, aus allem ihm zur Verfügung stehenden Material ein Bild, eine Theorie zu entwickeln. Er wollte sie gar nicht prüfen, sondern sie würde sich in der Folge als Beschreibung der Welt erfolgreich erweisen oder auch nicht. Er postulierte nun einfach die Geschwindigkeit des Lichtes in alle Richtungen unabhängig von allfälligen Bewegungen eines Senders oder Empfängers als konstant. Die Auswirkungen dieser Annahme sind im Zugbeispiel gut verdeutlicht worden (siehe Kasten). Er kam damit zu dem Schluss: Wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, muss sich die Zeit ändern. Für die im Zug befindliche Person vergeht die Zeit langsamer, als sie für die am Bahndamm befindliche Person abläuft. Dieses Phänomen wurde später Zeitdilatation genannt.

Abb. 4: Wenn der Zug sich bewegt, müsste der Beobachter am Bahndamm herkömmlich eine Lichtgeschwindigkeit c + der Zuggeschwindigkeit wahrnehmen. Da die Lichtgeschwindigkeit aber für den Zuginsassen wie für den Beobachter außen gleich groß sein muss, muss sich für den Zuginsassen die Zeit verkürzen. Dies ist letztendlich die wesentliche Aussage der speziellen Relativitätstheorie. Um den Unterschied in der Zeit zu quantifizieren, verwendete er die für andere Zwecke entwickelte so genannte Lorentztransformation.

Was ist relativ in der speziellen Relativitätstheorie?

1. Die Zeit: Sie dehnt sich mit zunehmender Geschwindigkeit. Dieser Effekt wurde schon oben besprochen.

2. Die Längen: Sie verkürzen sich mit der Geschwindigkeit. Dieser Effekt ergibt sich als logische Wirkung der Zeitdilatation. Für jemanden mit hoher Geschwindigkeit verkürzen sich die Entfernungen. Bei Lichtgeschwindigkeit werden die Entfernungen schließlich null. Da sich die Längen nur in der Bewegungsrichtung verkürzen, verzerren sich die Proportionen aller Gegenstände. Man hat versucht, die Längenkontraktion mit rasch drehenden Speichenrädern nachzuweisen. Der Effekt hat sich aber nicht bestätigt, er kann aber aus der Theorie nicht weggedacht werden.

Abb. 5: Für einen mit hoher Geschwindigkeit an einem Spaceshuttle vorbeirasenden Raumfahrer verkürzt sich nach der Relativitätstheorie eine Dimension. Das Spaceshuttle sieht gestaucht aus.

3. Die Masse: Sie steigt mit zunehmender Geschwindigkeit. Der Experimentalphysiker W. Kaufmann machte um 1900 in Göttingen einen Versuch mit schnellen Elektronen. Dabei fand er heraus, dass es bei hohen Geschwindigkeiten der Elektronen immer schwieriger war, diese weiter zu beschleunigen. Der Schluss war dann, dass dieser Effekt durch die relativistische Erhöhung der Masse zustande käme.

Obwohl es mehrere Interpretationsmöglichkeiten für diesen Effekt gibt, wurde er bald allgemein als relativistischer Effekt akzeptiert und als Beweis für die Gültigkeit der Theorie anerkannt. Einstein selbst war nicht überzeugt, weil in der Relativitätstheorie keine absolute Geschwindigkeit definierbar ist und damit auch keine Ruhemasse.

Der Weg zur allgemeinen Relativitätstheorie (ART)

Das Problem der speziellen Relativitätstheorie liegt in der Begrenzung auf nicht beschleunigte Bewegungen. Ich habe bislang keinen Grund für diese Einschränkung gefunden, außer vielleicht den, dass dann die Formeln sehr komplex werden. Heute würde man eine beschleunigte Bewegung in kleine Abschnitte teilen, darin eine Durchschnittsgeschwindigkeit annehmen und die Effekte berechnen und für die gesamte Bewegung zusammensetzen. Die Rechenkapazität unserer Computer würde dieses Verfahren sehr einfach machen.

Damals gab es diese Möglichkeit noch nicht und die mathematische Beschreibung relativistischer Effekte für beschleunigte Bewegungen war sehr schwierig. Für Einstein war aber gerade die Beschleunigung ein ungelöstes Problem. Sie führte ihn schließlich 1915 zu seiner Lösung, zur allgemeinen Relativitätstheorie. Als er sich einmal einen Menschen in einem Aufzug vorstellte, erkannte er, dass die Person im fensterlosen Aufzug nicht erkennen kann, ob sie z. B. im All beschleunigt wird und die Trägheit des Körpers die Illusion von Gewicht hervorruft oder ob der Aufzug auf der Oberfläche eines Planeten steht und die Schwere durch die Gravitation des Himmelskörpers hervorgerufen wird.

Abb. 6: Für Einstein war Trägheit und Gravitation gleichbedeutend. Beim beschleunigten Aufzug macht ein Lichtstrahl für den Betrachter im Aufzug einen kleinen Bogen.

Und hier hatte er mit seinem Ansatz der Relativität die Idee, dass ein Lichtstrahl auch bei einem unbeschleunigten Aufzug einen Bogen machen müsste. Dies kann er aber nur tun, wenn der Raum gekrümmt ist. Dies ist schließlich die Kernidee für die allgemeine Relativitätstheorie.

Abb. 7: Ein Lichtstrahl in einem beschleunigten Aufzug erscheint gebogen, weil sich der Aufzug gegenüber dem Lichtstrahl beschleunigt.

Wie setzte sich die Relativitätstheorie durch?

Die Umstände der Durchsetzung sind einigermaßen rätselhaft. Da Aspekte der Theorie einige Ideen von Max Planck stützten, setzte dieser die spezielle Relativitätstheorie schon ein Jahr nach ihrem Erscheinen auf den Lehrplan des Physikstudiums in Berlin. 1919 gab es in Brasilien eine Sonnenfinsternis, bei der Sir Eddington Positionsverschiebungen der Sterne in Sonnennähe nachwies. Damit schien Einstein bestätigt, der eine Lichtablenkung am Sonnenrand um ca. 1,6 Bogensekunden vorhergesagt hatte.

Abb. 8: Das Phänomen der Lichtablenkung am Sonnenrand. Es gab natürlich immer Kritiker, es gab auch Diskussion zwischen Befürwortern und Kritikern. Bei der 1922 stattfindenen Jahrhundertfeier der Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte in Leipzig kamen erstmals die Kritiker nicht zu Wort. Seit damals standen den Kritikern auch die wesentlichen Medien nicht mehr zur Verfügung. Immer mehr Berichte über Bestätigungen der Theorie verfestigten schließlich die öffentliche Meinung und die Theorie hatte sich durchgesetzt. Die Kritiker sind aber nicht verstummt. Ihre Argumente sind auch im Wesentlichen unbeantwortet.

Literatur:

• Hoffmann, Banesh: Einsteins Ideen: Das Relativitätsprinzip und seine historischen Wurzeln, Heidelberg - Berlin - New York, 1997, 198 Seiten
• Einstein, Albert: Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie, Braunschweig Wiesbaden 1985, 112 Seiten
• Einstein, Albert: Mein Weltbild, Berlin 1970, 115 Seiten Clark, Ronald W.: Albert Einstein - Leben und Werk, Esslingen 1974, 507 Seiten

Autor: Wigbert Winkler

(aus: Abenteuer Philosophie Nr. 102)