Irrtümer und Missverständnisse
Da müht man sich nun viele Jahre, die irreführenden oder falschen oder
widersinnigen Klischees über die Relativitätstheorie auszuräumen und
sich an die Wahrheit und Logik zu halten, und dann muss man auch im Jahre 2005 feststellen,
dass diese Klischees weiterhin in die Welt gesetzt werden, nun aber von Medien, die sich den
Anschein geben, Wissenschaft zu verbreiten, und von Kollegen, die sich nicht trauen,
etwas anderes als die Klischees zu benutzen, weil eben nur Klischees populär
sind. Wir sortieren sie nach dem Alephbethgimmel.
Alles ist relativ.
In der Allgemeinen Relativitätstheorie verlor
auch der Raum seine Absolutheit.
Die Allgemeinen Relativitätstheorie betrifft die Kosmologie.
Ohne Allgemeine Relativität gibt es keine kosmische Expansion.
Am Anfang war alles Eins, ein winziger Punkt
Bewegte Uhren gehen langsamer.
E = mc2 besagt, dass
Energie und Masse ineinander umwandelbar sind.
Einstein erhielt den Nobelpreis für die Relativitätstheorie.
Einstein kannte den Michelson-Versuch nicht.
Die Griechen der Antike wollten nicht messen
Die Krümmung des Raums zwingt die Planeten auf ihre Bahn.
Die Krümmung des Raums verursacht die Lichtablenkung.
Die Lichtgeschwindigkeit kann nicht erreicht werden
Die Lichtgeschwindigkeit ist immer und überall dieselbe.
Michelson
hat das Gesetz von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit aufgestellt
Was ein Quantensprung ist
Die Relativitätstheorie ist schwierig.
Die Relativitätstheorie löst den
Widerspruch zwischen klassischer Mechanik und Elektrodynamik.
Die Spezielle Relativitätstheorie gilt
für sich mit konstanter
Geschwindigkeit bewegende Körper.
nach oben
oder zurück
Alles ist relativ.
Das ist eine leere Feststellung. In der Physik jedoch hat das Wort
relativ eine wirkliche Bedeutung.
Relativ ist vor allem die Geschwindigkeit. Bewegung lässt sich nur gegen die Umgebung feststellen.
Es gibt kein Experiment, dass die Geschwindigkeit eines
abgeschirmten Raums allein von innen feststellen kann.
Das war aber schon Galileos Gedankenblitz. Einstein fand gerade,
dass die Lichtgeschwindigkeit (genauer der Betrag der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum)
absolut ist,
und konnte damit die Galileische Relativität retten, die wegen der
Merkwürdigkeiten der Lichtausbreitung in Schwierigkeiten geraten war.
Absolute Lichtgeschwindigkeit plus Galileos Relativität sind der Einstieg in die
Relativitätstheorie. Es ist nicht alles relativ, sondern nur Aussagen,
die einen Vergleich, einen Bezug betreffen,
und es ist gerade ein Ziel der Wissenschaft,
dies festzustellen oder auszuschließen.
nach oben
oder zurück
Ohne Allgemeine Relativität gibt es keine kosmische Expansion.
Kosmische Expansion gibt notwendig bereits in Newtonschen kosmologischen Modellen.
Aber erst die ART ermöglichte das erste konsistente homogene Modell des Universums,
in dem es keinen Mittelpunkt und keinen Rand gibt. Einstein setzte einfach ein
stationäres Modell an, während Friedmann die Gleichungen löste und
fand, dass 1. die stationäre Lösung ein Spezialfall ist, 2. dass
die positive Krümmung (der geschlossene Kosmos) nicht nötig ist,
um ein homogenes Modell widerspruchsfrei zu konstruieren, und 3. dass die
kosmologische Konstante verschwinden kann, ohne dass sich an dieser
Lage etwas ändert.
nach oben
oder zurück
Was ist ein Quantensprung?
Ein Quantensprung ist ein besonders schneller Übergang zwischen verschiedenen
stationären Zuständen eines Systems. Im Zeitmaß der Messungen erscheint er
als unstetig, er muss es aber nicht sein. Immerhin sieht man Sprünge nur im Einzelnen,
wo sie nicht besonders große, sondern kleinstmögliche Änderungen betreffen.
Im Organismus ist der Übergang zwischen zwei Zuständen des Adenosintriphosphats (ATP)
das Maß aller Dinge. Die Übergangsenergie beträgt 0.51 eV. Um 1 g im Schwerefeld der Erde um 1 cm zu heben, bedarf es bereits 10-4 Ws = 6.6 1015 eV, also mehr als 1016
solcher Quantensprünge.
Wer also einen Quantensprung erreichen will, weiß entweder nicht, wovon er redet (man nennt das pseudowissenschaftliches Imponiergehabe), oder er will
wirklich keinen kleinen Finger krumm machen.
nach oben
oder zurück
Die Griechen der Antike wollten nicht messen,
weil sie einer Wahrheit jenseits aller sinnlichen Trugbilder
nachjagten
Die Griechen der Antike haben sehr wohl gemessen. Wir wissen von
ganz erstaunlichen Bestimmungen des Erdradius, des Abstandes zu Mond
und Sonne, trigonometrischen Landvermessungen und
geographischen Ortsbestimmungen. Wir wissen, dass die Einsicht
in die Notwendigkeit einer abstrakten Geometrie
gerade mit diesen Messungen zusammenhing
und diese auch wieder ermöglichte. Archimedes hat gemessen, bevor er
die Formeln für den Auftrieb fand u.s.w. Man lese von
Lucio Russo Die vergessene Revolution, ein Buch,
das gerade diesen Punkt ausführlich behandelt -
wie auch die Ursache, warum dieses Wissen in der
christlich geprägten abendländischen Kultur des
Frühmittelalters so sehr verloren ging,
dass es erst nach anderthalb Jahrtausenden wieder verstanden wurde.
nach oben
oder zurück
Die Krümmung des Raums zwingt die Planeten auf ihre Bahn.
Die Planeten
laufen auch ohne Raumkrümmung auf ihrer Bahn. Die Raumkrümmung verursacht bei den
Planeten nur solche kleinen Effekte wie die langsame Drehung der Kepler-Ellipsen
(beim Merkur ein Millionstel des Vollkreises in 3 Jahren, zusätzlich zu der
von den großen Planeten erzwungenen Drehung, die 100 Mal so groß ist).
Die Kepler-Ellipsen sind den anderen Komponenten der Krümmung geschuldet.
Das hat man schon vorher gewusst, nur nicht so genannt.
Die Krümmung des Raums
ist also nicht Ursache der Kepler-Bewegung. Der
dafür entscheidende
Teil der Krümmung liegt in den Zeitkomponenten. Einsteins Relativitätstheorie
erzwingt nur, dass man auch eine Krümmung des Raums zulassen muss, weil Krümmung
in den Zeitkomponenten vorhanden ist. Die oft zitierte Gummihaut stellt primär nicht die Krümmung
des Raums, sondern das Schwerepotential selbst dar.
nach oben
oder zurück
Die Relativitätstheorie ist schwierig.
Machen Sie sich nichts vor, die
Physik ist
schwierig, weil sie wie die Mathematik ohne logisch formalisierte Schlüsse nicht auskommt.
Wer nur Gelegenheit hat, das zu lernen, was in den Schulbüchern steht,
hat fast gar keine richtige Physik gelernt (sondern nur eine Sammlung physikalischer Effekte
mit
mehr oder weniger zusammenhanglosen Formeln),
oder können Sie aus Newtons Schwerkraftgesetz Keplers Ellipsen
herleiten? Das ist aber erst der Anfang der Physik, und vor 300 Jahren gefunden!
Die Relativitätstheorie ist einfacher als die Newtonsche Mechanik, zumindestens
solange man über Kräfte nicht reden muss. Von der Geometrie der Zeit bis zur
Ableitung der Formel E=mc2
kommt man mit dem ersten Newtonschen Axiom,
und dem Satz von der Erhaltung des Impulses und der Energie.
Man muss sich nur darauf einlassen.
nach oben
oder zurück
Die Relativitätstheorie löst den Widerspruch
zwischen klassischer Mechanik und Elektrodynamik.
Es gibt da keinen Widerspruch, solange man akzeptiert,
dass man paradoxerweise und entgegen
Galileis Erwartung eine Geschwindigkeit angeben kann, die einfach aus der
Richtungsabhängigkeit der Lichtausbreitung bestimmt werden kann.
Die Kombination aus klassischer Mechanik und Elektrodynamik
hat einen anderen Mangel: Sie beschreibt
die Wirklichkeit nicht richtig, d.h. sie mag widerspruchsfrei sein, aber nicht anwendbar.
Speziell die Aberration wird nicht richtig beschrieben.
Einstein hat gesehen, dass man das Relativitätsprinzip Galileis einfach
wieder generell fordern muss, und dass dann natürlich
die Mechanik zu modifizieren ist (eigentlich nur
die Kinematik, nämlich die Regel für die Zusammensetzung der Geschwindigkeiten),
und die Probleme lösen sich auf.
nach oben
oder zurück
Die Lichtgeschwindigkeit ist immer und überall dieselbe.
Das mag so sein, ist aber
nicht Gegenstand des Prinzips der konstanten Lichtgeschwindigkeit. Letzteres meint
ausschließlich Konstanz des Betrages bei Zusammensetzung mit anderen Geschwindigkeiten.
Hingegen ist Konstanz in Raum und Zeit bestenfalls Konstanz in Bezug auf ein
Geschwindigkeitsnormal. Nimmt man das atomare Geschwindigkeitsnormal (Bohrscher Radius
multipliziert mit der Rydberg-Konstanten), so hat das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit den Wert der reziproken Sommerfeld-Konstanten, etwa 137.
Die Konstanz dieser Zahl in Raum und Zeit
kann überprüft werden.
Es ist bis in den tiefen und frühen Kosmos
keine Veränderung festgestellt worden.
nach oben
oder zurück
Die Krümmung des Raums verursacht die Lichtablenkung.
Lichtablenkung gibt
es auch ohne Raumkrümmung, allerdings ist ihr Wert
dann nur halb so groß wie beobachtet.
nach oben
oder zurück
Die Lichtgeschwindigkeit kann nicht erreicht werden
weil die Beschleunigung eines
Körpers auf Lichtgeschwindigkeit unendlich viel Energie benötigt. Das gilt
nur für Körper mit Ruhmasse. Daraus kann man aber nicht schließen,
dass es keine Teilchen mit Licht- oder Überlichtgeschwindigkeit gibt.
Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit gibt es ja (Photonen).
Sie haben Lichtgeschwindigkeit bereits bei ihrer Entstehung.
Es könnte zunächst sogar Teilchen geben, die mit Überlichtgeschwindigkeit erzeugt werden
(Tachyonen). Es sind andere Gründe, warum es Teilchen mit
Überlichtgeschwindigkeit nicht geben kann.
Teilchen mit Überlichtgeschwindigkeit würden zu Verletzungen
des ersten Newtonschen Axioms führen, die niemand beobachtet, abgesehen davon, dass man mit einem Schuss überlichtschneller Teilchen und einigen Spiegeltricks
seinen Vater treffen kann, bevor man selbst gezeugt ist.
Teilchen mit Überlichtgeschwindigkeit würden also
Prozesse erlauben, deren Fehlen beobachtet wird.
nach oben
oder zurück
Albert Einstein erhielt den Nobelpreis für die Relativitätstheorie.
Einstein hat den Nobelpreis nicht für die Relativitätstheorie,
sondern für die richtige Beschreibung des Photoeffekts erhalten.
Einstein war in Zusammenhang mit der Relativitätstheorie
antijüdischen Angriffen ausgesetzt, zu denen
das Nobel-Komitee vermutlich keine Stellung nehmen wollte.
Die Relativitätstheorie
war vielmehr Grund für seine Zuwahl in die
Preußische Akademie der Wissenschaften 1913,
bei der wiederum (von Max Planck) die
Beschreibung des Photoeffekts heruntergespielt wurde.
nach oben
oder zurück
Die Allgemeine Relativitätstheorie setzte
sich mit bis heute umstrittenen Fragen der Kosmologie
(also der Entstehung des Universums) auseinander.
Die ART setzte sich 1916 nicht mit der Entwicklung des Universums,
sondern mit einer relativitätskonformen Beschreibung der
Schwerkraft auseinander. Einstein selbst hat wenigstens bis 1924
nicht an eine Entwicklung des Universums gedacht, sonst hätte
er kaum gegen Friedmanns erste Arbeit Stellung genommen.
nach oben
oder zurück
Die berühmte Gleichung E = mc2 besagt, dass
Energie und Masse ineinander umwandelbar sind.
Energie und Masse werden nicht ineinander umgewandelt
(dann müsste die Formel auch lauten: E + mc2 = konstant).
Vielmehr sind sie bis auf den Faktor
c2 gleich (da steht wirklich ein Gleichheitszeichen).
Wie die Gesamtenergie bleibt auch die Gesamtmasse in abgeschlossenen
Systemen erhalten. Was sich wandelt, sind die Anteile von Bewegungsenergie und innerer
Energie.
nach oben
oder zurück
1881 wurde von dem amerikanischen Physiker Albert Michelson
das Gesetz von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit aufgestellt
Michelson wurde 1852 in Strzelno geboren.
Seine Eltern emigrierten 1855 nach Californien. Der Michelson-Versuch
wurde zuerst in Potsdam durchgeführt.
Albert Michelson stellte kein Gesetz auf, er untersuchte und
fand,
dass die Geschwindigkeit der Erde durch das Sonnensystem sich
bei Messungen der Lichtgeschwindigkeit in einem Keller nicht bemerkbar macht.
Die Geschichte ist die folgende. Bradley hatte 1729 die Aberration des Sternenlichts gefunden, die als Zusammensetzung der Lichtgeschwindigkeit mit der Bahngeschwindigkeit der Erde gedeutet werden musste (Regenschirm-Effekt). Damit schien nicht nur bewiesen, dass es wirklich die Erde ist, die sich bewegt, sondern auch, dass das Licht ein Teilchenstrom ist, wie Newton annahm.
Als Young und Fresnel die Wellennatur des Lichts bewiesen, stellte sich heraus, dass Wellenfronten keine Aberration zeigen. Fresnel fand eine Hilfskonstruktion zur Rettung des Effekts, die aber verlangte, dass das Trägermedium der Lichtausbreitung (der Äther) sich widerstandslos durch alles hindurchbewegt (so wie die viel später entdeckten Neutrinos das auch tun), und nicht wie die Luft von der Erde mitgenommen wird. Dann sollte aber auch in einem Keller ein Fahrtwind auftreten. Michelson war es, der eine Methode fand, mit der dieser Fahrtwind auffindbar sein musste: die Interferometertechnik.
Michelson fand aber keinen Ätherwind und schloss daraus,
dass der Äther von der Erde doch mitgenommen und von den Kellerwänden eingeschlossen wird.
Dann allerdings wird die Aberration eine noch kompliziertere Frage, deren direkte Lösung eine
Relativität der Gleichzeitigkeit war (H.A.Lorentz).
Einstein sah, dass die axiomatische Forderung einer Lichtgeschwindigkeit,
deren Betrag nicht vom Bewegungszustand des Messgeräts abhängt, deren Betrag sich bei Zusammensetzung
mit anderen Geschwindigkeiten nicht ändert, alle Probleme auf die einfachste, nämlich die geometrische Weise löst. Michelson hat Einsteins Erklärung nie akzeptiert und versucht, einen Fahrtwind wenigstens im Freien zu finden: vergeblich.
nach oben
oder zurück
Einstein kannte den Michelson-Versuch nicht
Einstein hat in seiner Arbeit von 1905 Michelson nicht zitiert
und später auch behauptet, er habe den Michelson-Versuch nicht gekannt.
Allerdings hat er später den Michelson-Versuch durchaus als wichtige Grundlage
der Relativitätstheorie gefeiert. Das ist kein Widerspruch.
Vor dem Geistesblitz des Axioms der konstanten Lichtgeschwindigkeit
gab es viele unverstandene Merkwürdigkeiten
in der Verbindung von Elektrodynamik und Mechanik,
und der Versuch von Michelson war nur ein Hinweis unter vielen.
Einstein hatte einen Knoten zu lösen,
nicht etwa den Michelson-Versuch zu erklären,
der von Michelson ja auf eigentlich einleuchtende Weise erklärt worden war.
Die Relativitätstheorie löste den Knoten auf eine Weise,
die nun nicht aus den Experimenten ableitbar war,
sondern eben gesehen werden musste.
Erst im Lichte der Relativitätstheorie wurde der Michelson-Versuch
als Stütze des Axioms einer bewegungsunabhängigen Lichtgeschwindigkeit angesehen
und erhielt so das Gewicht, das Einstein auch anerkannte,
und das den konservativen Widerstand gegen die
Relativitätstheorie überwinden half.
Michelson selbst hat sein Versuchsergebnis
nie als Grundlage der Relativitätstheorie
gesehen und auch nicht sehen wollen.
nach oben
oder zurück
Von einem ruhenden Punkt aus gemessen, verstreicht die Zeit
in dem bewegten Objekt um einen bestimmten
(von Einstein berechneten) Faktor langsamer ...
Der Beobachter muss nicht ruhen. Wie sollte er das
auch feststellen? Er sieht bestenfalls, dass sich Objekte in seiner Umgebung
relativ zu ihm nicht bewegen. Das sind aber gerade die uninteressanten.
Auf relativ bewegten Objekten vergeht die Zeit langsamer, wenn man
gleichzeitige Ereignisse nach der Uhr des Beobachters bestimmt, also
aus der Perspektive des Beobachters.
Solange sich das bewegte Objekt unbeschleunigt bewegt, kann
man gleichzeitige Ereignisse auch nach dessen Uhr definieren.
Bezogen auf die Uhr des Objekts (aus der Perspektive des Objekts),
geht nun die Uhr des Beobachters langsamer!
Die richtige Zeitdilatation tritt auf, wenn die bewegte Uhr genau gleich geht, nur eben durch
die (zeitliche) Perspektive verändert ist. Das ist ganz das gleiche wie beim Balken der
Bürger von Schilda: Wenn sie den Balken gegen die Tür drehen,
geht er durch die ansonsten zu schmale Tür. Bei der Drehung bleibt die Länge
des Balkens unverändert, nur projiziert auf die Tür erscheint er kürzer.
Der Dilatationsfaktor wurde schon früher von anderen
berechnet, nur die richtige physikalische Interpretation (als Projektionseffekt in der Raum-Zeit) blieb bis 1905
20 Jahre im Dunkeln.
nach oben
oder zurück
Einsteins erste Relativitätstheorie wird die spezielle genannt,
weil sie nur für sich mit konstanter
Geschwindigkeit bewegende Körper angelegt war. Die zweite,
1916 veröffentlichte Relativitätstheorie wird die allgemeine genannt, weil sie
auch für beschleunigte Körper gilt.
Die speziellen Relativitätstheorie gilt selbstverständlich
auch für beschleunigte
Köper (etwa Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern).
Andernfalls wäre sie ja auch völlig nutzlos.
Nur sind in der SRT bestimmte Beschreibungen besonders einfach.
Diese Beschreibungen stützen sich auf inertiale
(trägheitskräftefreie) Bezugssysteme. Zwei inertiale Bezugssysteme
bewegen sich gegeneinander auch inertial, d.h.unbeschleunigt.
Daher die Verwirrung.
Was die spezielle Relativitätstheorie nicht kann,
ist die richtige
Beschreibung des Gravitationsfeldes, weil - wie die ART zeigt -
es im Gravitationsfeld keine im herkömmlichen Sinne
inertialen Bezugssysteme gibt und alle Bezugssysteme gleich schlecht
(und so kompliziert wie schon in der SRT) sind.
nach oben
oder zurück
Nachdem Einstein die Zeit zu einer relativen Größe
gemacht hatte, verlor in diesem zweiten Unternehmen einer Gravitationstheorie
auch der Raum seine Absolutheit.
Im gleichen Sinn, wie die Zeit ihre Absolutheit mit der
SRT verloren hat, hatte der Raum seine Absolutheit schon mit der
Galilei-Newtonschen Mechanik verloren. In der ART geschieht etwas
anderes. Während sich die Struktur von Raum und Zeit
vorher vollkommen unabhängig vom materiellen Inhalt darstellte,
zeigt die ART, dass ein Teil der Raum-Zeit-Struktur (nämlich ihre
Maßverhältnisse, etwa die Koeffizienten im Satz des Pythagoras)
vom materiellen Inhalt bestimmt wird: Ein Teil der Krümmung
des vierdimensionalen Produkts aus Raum und Zeit wird proportional der
Energiedichte.
nach oben
oder zurück
Am Anfang war alles Eins, ein winziger Punkt, der explodierte und aus dem alle Teilchen
und unser Universum entstanden?
Das Universum ist, es entsteht nicht. In dem Bereich, in dem Raum und Zeit
voneinander geschieden sind, finden wir eine zeitliche Abfolge, die sich als
Geschichte darstellt, in der sich der Zustand des Raums und der Materie in ihm
manchmal schnell und qualitativ,
ansonsten langsam ändert. Die Grenze dieses Bereichs ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Abstände der von der Expansion getragenen Orte immer kleiner werden.
Aber auch beim Abstand Null sind diese Orte noch unterscheidbar.
Das Universum ist also nie
ein Punkt. Auch in dem Zustand, wo alle Abstände verschwinden,
gibt es Horizonte.
Verstehen wir diesen Zustand als Entstehung des Universum und der Zeit,
dann war immer das Naturgesetz, am Anfang die Scheidung von Raum und Zeit,
später die Wiederentstehung der Teilchen aus dem zerfallenden Hochtemperaturvakuum,
eine ganze Zeitlang die Entstehung des Lichts aus den zerstrahlenden
Teilchen-Antiteilchen-Paaren,
weit später die Trennung des Lichts von der Finsternis
(etwa 100000 a nach dem Anfang),
wiederum weit später
(etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Anfang) die Entstehung der Erde (Trennung von Himmel und Erde).
nach oben
oder zurück