Alles ist Relativ I

Die Relativitätstheorie, die Albert Einstein 1904 entwickelt hat, ist neben der Quantenmechanik die am besten überprüfte Theorie, die wir zur Zeit haben. Das liegt wohl auch daran, dass ihre Vorhersagen mit den gewöhnlichen Vorstellungen von den Abläufen in Raum und Zeit nur schwer vereinbar sind.

Da gibt es Zeitdehnungen, Raumkrümmungen und Längenkontraktion, ganz zu schweigen von Fallenden Fahrstühlen und Zwilligsparadoxien. Kein Wunder, dass die Wissenschaftler bei dieser Theorie genauer hingeschaut haben, bevor sie akzeptiert wurde.

Ein wesentliches Merkmal der Relativitätstheorie ist ihre Maßeinheit - die Geschwindigkeit des Lichts. Das Licht als Grundlage für diese Theorie zu nehmen war nach der Maxwellschen Theorie und den Experimenten von Michelson und Morley notwendig geworden. Insbesondere diese Experimente zeigten, dass sich das Licht in unterschiedliche Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet. Das mag heute fast selbstverständlich klingen, da wir heute wissen das Licht als Elektromagnetische Welle kein Medium zu seiner Ausbreitung benötigt. Anfang des letzten Jahrhunderts allerdings ging man davon aus, dass sich das Licht im Äther fortpflanzen würde, nach diesem Experiment war das Festhalten an einem alles ausfüllenden Äther nur noch mit erheblichen geistigen Verrenkungen möglich und man gab diese Vorstellung auf - einigen Wissenschaftlern fällt das noch heute ziemlich schwer.

Die einzige Lösung, die sich in diesem Dilemma Anbot war es das Licht selbst zum Maßstab zu machen und den Rest der Welt dem unterzuordnen. Einstein war der Erste, der sich traute diese Konsequenz zu ziehen und formulierte auf ihrer Grundlage die spezielle Relativitätstheorie.

Bei einer Lichtgeschwindigkeit von knapp 300 Millionen m/s fällt es im Alltag nicht auf, dass so vieles nicht mehr den Erfahrungen entspricht, die wir gewöhnlich machen. Bei hohen Geschwindigkeiten hingegen machen sich die Auswirkungen immer deutlicher bemerkbar.

Eine der Konsequenzen ist die sogenannte Zeitdiletation, sie besagt, dass die Zeit für einen schnell bewegten Gegenstand immer langsamer vergeht, bis sie bei Lichtgeschwindigkeit schließlich aufhört zu vergehen. Seltsam dabei ist jedoch, dass das nur für den äußeren Betrachter des bewegten Teilchens gilt. Das Teilchen selbst ruht in seinem persönlichen Bezugssystem und so vergeht die Zeit für das Teilchen ganz normal und es sieht in seiner Umgebung eine verlangsamte Zeit.

Auf diesem Phänomen beruht das Zwillingsparadoxon, auf das sich die Gegner der Relativitätstheorie immer wieder berufen haben. Der durchs Weltall düsende Zwilling altert bekanntlich langsamer als der zurückgebliebende. Das Paradox besteht nun aber darin, dass sich der Zwilling auf der Erde aus der Sichtweise des Raumfahrers bewegt, während der Raumfahrer in seinem eigenen Bezugssystem ruht und jetzt behauptet, der zurückgebliebene Zwilling müsste langsamer altern. Dieses Paradox löst sich allerdings in Wohlgefallen auf, wenn man berücksichtigt, dass die Erde während des ganzen Experiments im selben Bezugssystem ruht, während sich die Rakete auf hin und Rückweg in unterschiedlichen Bezugssystemen aufhält.

Mit Atomuhren und schnellen Flugzeugen konnte das Phänomen der Zeitdiletation inzwischen nachgewiesen werden, und dazu zeigt uns auch die kosmische Höhenstrahlung, dass die Relativitätstheorie funktioniert. Einige Teilchen die in den oberen Schichten der Atmosphäre entstehen dürften nämlich nicht den Erdboden erreichen, weil sie in der Zeit die sie dazu brauchen zerFallen müssten. Erklären kann man dieses Phänomen, wenn man berücksichtigt, dass das Teilchen sehr schnell ist und seine Zeit deshalb langsamer vergeht.

Und mit diesen Schwierigkeiten können wir auch gleich die Vorstellung begraben, es gäbe so etwas wie Gleichzeitigkeit zwischen zwei Ereignissen. Genaugenommen hängt diese Eindruck wesentlich von den Bewegungszuständen der beobachteten Ereignisse und dem Bewegungszustand des Beobachters ab.

Aber das seltsame Verhalten der Zeit ist nicht alles, was uns die spezielle Relativitätstheorie zu bieten hat. Denn da ist ja noch das seltsame Verhalten von Zollstöcken bei Reisen mit hohen Geschwindigkeiten.

Betrachtet man einen vorbeirasenden Zollstock so stellt man nämlich fest, dass er kürzer ist als sein ruhendes Pendant. Diese sogenannte Lorentz-Kontraktion beobachtet man aber ausschließlich in Bewegungsrichtung des bewegten Gegenstands.

Wer aufgepasst hat, dem wird aufgefallen sein, dass sich die Zeit verlangsamt, während die Länge gestaucht wird. Mathematisch handelt es sich hier tatsächlich um eine Drehung. Das bewegte Objekt wird quasi aus der Raumdimension in die Zeitdimension gedreht. Bei der Berechnung legt man deshalb das Koordinatensystem so, dass die Bewegung in Richtung einer der Hauptachsen geht, sonst wir das rechnen komplizierter.

Trotzdem würde man bei einem vorbeifliegenden Raumschiff nicht nur eine Verkürzung sehen, sondern eine Drehung wahrnehmen, die allerdings eine ander Ursache hat. Da sich das Licht nur mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet erreichen uns die Lichtstrahlen von der Hinterkante des Raumschiffes von einem weiter zurückliegendem Ort als jene von der Vorderkannte - das Raumschiff scheint gedreht.

Zuletzt bleibt noch die Energie, denn auch diese ist von der Geschwindigkeit des Körpers abhängig und wegen der Äquivalenz von Masse und Energie - klar, das wird bei ruhenden Massen durch E=mc2 beschrieben, für bewegte Körper ist die Formel komplizierter - so werden Objekte schwerer, je schneller sie sich bewegen. Das ist auch der Grund, warum sich Körper nicht bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen lassen, denn je schneller der Körper ist, desto schwerer wird er und umso mehr Energie ist notwendig, um ihn weiter zu beschleunigen. In Teilchenbeschleunigern wird diese Vorhersage täglich bestätigt, wenn Elektronen un Ionen in Elektromagnetischen Feldern bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dann als Pfannkuchen - man bedenke die Längenkontraktion - zusammenkrachen.

Und was ist jetzt, wenn man mit der Taschenlampe aus einem Raumschiff leuchtet, dass sich mit gewaltigen Düsen der Lichtgeschwindigkeit genähert hat? Nun, das Licht entfernt sich vom Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit und für einen extern ruhenden Beobachter bewegt es sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit, was sich aus der Theorie ableiten lässt und in versuchen ebenfalls bestätigt wurde.

Das waren in groben Zügen die wesentlichen Merkmale der speziellen Relativitätstheorie aber Einstein ist weiter gegangen um unser Weltbild aus den Angeln zu heben. Deshalb gibt es noch eine Fortsetzung über die der Allgemeinen Relativitätstheorie in der es um Phänomene wie Schwerkraft und beschleunigte Bezugssysteme geht.

Weiter zum zweiten Teil: Alles ist Relativ II - die Allgemeine Relativitätstheorie.


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