Physik - Teil 1

Mein Interesse für die Naturwissenschaften wurde vermutlich mit Beginn meines Physikunterrichtes durch einen sehr charismatischen Lehrer geweckt, der dies auch erkannte und förderte. Schon recht früh in dieser Phase stellte ich für mich fest, dass die Physik ein faszinierendes Gebiet ist, das in der Lage scheint, die großartigen Dinge dieser Welt zu erklären. Die Physik erschien mir sachlich, verständlich und logisch und im Gegensatz zu meinen Mitschülern empfand sie ganz und gar nicht als trocken. Keines der anderen naturwissenschaftlichen Fächer übte so einen Reiz auf mich aus wie die Physik. Ich empfand die Chemie und noch mehr die Biologie mehr als Ergänzung, als nicht zwingend notwendiges Beiwerk und bestenfalls als spezielle Fachrichtungen dieser einzigartigen Wissenschaft; die Mathematik betrachtete ich als unumgängliches, wichtiges Handwerkszeug der Naturwissenschaft.

Ich war der Meinung – und bin es noch heute zum Teil –, dass man bei intensiver und detaillierter Untersuchung eines Vorgang in der Natur letztendlich und zwangsläufig immer wieder zur Physik gelangt. Dieses Interesse ist bis heute erhalten geblieben, auch wenn ich inzwischen andere Bereiche des Lebens ebenso zu schätzen weiß. Zu meiner Überraschung konnte ich viele Jahre später in einem Buch von Stephen Hawking lesen, dass es ihm in seiner Jugend ganz ähnlich erging, allerdings mit dem gravierenden Unterschied, dass er seine Passion zum Beruf machte.

Schon in der neunten und zehnten Klasse (in der ich zusätzlich Astronomie gelehrt bekam) machte ich mir eingängige Gedanken über den Charakter des Lichtes. Ich verstand bestimmte Phänomene im Zusammenhang mit dieser Energieerscheinung nicht und nervte adoleszenz-typisch meine Umwelt mit Fragen wie "Warum kann ein Lichtstrahl durch die Masse der Sonne abgelenkt werden, wenn Licht doch masselose Energie ist? Gravitation wirkt doch lediglich auf Massen, oder?" Dass ausgerechnet Einsteins Relativitätstheorie die Erklärung liefern sollte, wurde mir erst viele Jahre später deutlich. Solange hat mich dieses Problem beschäftigt. Heute bedauere ich manchmal, die Lösung meiner Frage nicht eher gesucht zu haben. Da es möglicherweise anderen Leuten ebenso ergeht und sie nicht die Muße haben, eine komplizierte Definition zu lesen, möchte ich hier versuchen, eine verständliche Erklärung der Einsteinschen Entdeckungen zu geben.

Wie wir durch schrittweise Erkenntnis unser Universum verstehen lernten, wie wir den Begriff der Zeit allgemein verwenden und was Zeit wirklich ist. Wie man Einsteins Theorien zu deuten vermag und wohin sie uns führen.

Das Thema ist sehr komplex und ich erhebe nicht den Anspruch, Einsteins Relativitätstheorie bis in alle Konsequenzen verstanden zu haben, denn das tun wohl die Wenigsten. Aber zumindest die Kernaussage ist mir anhand von Beispielen zugänglich. Die Meinung, Einsteins geniales astrophysikalisches Modell gipfele in der Formel "E=mc²" ist leider ein weit verbreiteter furchtbarer Irrtum. Ich werde versuchen, diesen Irrtum aufzuklären. Aber beginnen wir am Anfang.

Nachdem Aristoteles bereits 340 v Chr. davon überzeugt war, dass die Erde keine Scheibe ist und diese Annahme von Ptolemäus in dem nach ihm benannten ptolemäischen System (auch geozentrisches Weltbild genannt) konkretisiert wurde, hatte man ein Weltbild, mit dem man Jahrhunderte lang gut auskam. Nach diesem Modell stellte die Erde das Zentrum dar und um sie herum befanden sich auf verschiedenen Sphären der Mond, die Planeten, die Sonne und die Fixsterne. Dieses Modell erschien sogar der christlichen Kirche als akzeptabel, lies es doch genug Spielraum für Gott, Himmel und Hölle und wurde somit als in Einklang mit der Heiligen Schrift stehend erklärt.

Aristoteles war es auch, der annahm, alle Materie bestünde aus den vier Elementen Erde, Luft, Feuer und Wasser und auf sie wirken letztendlich nur zwei Kräfte. Die Schwerkraft und der Auftrieb. Das erstaunliche ist, dass diese Aufteilung des Universums - in Materie und Kräfte - bis heute gebräuchlich ist!

Erst 1300 Jahre nach Ptolemäus prägte Nikolaus Kopernikus das heliozentrische Weltbild, welches die Sonne zum Mittelpunkt erklärte. Diese These wurde nochmals gut 100 Jahre später von Johannes Kepler und Galileo Galilei mittels genauerer Beobachtungen der Himmelskörper unterstützt.

Allerdings war auch diese These selbst für Kepler noch unvollständig, weil er die beobachteten elliptischen Umlaufbahnen der Planeten nicht mit seiner Vorstellung vereinbaren konnte, dass magnetische Kräfte die Planeten um die Sonne bewegten. Dies gelang erst 1687 Sir Isaac Newton in seiner "Philosophiae naturalis principia mathematica", mit der er quasi die Gravitation einführte und die Mechanik revolutionierte.

Newton lieferte zu der Theorie der Bewegung von Körpern auch gleich die mathematische Analyse und entwarf ein Gravitationsgesetz, welches besagt, dass jeder Körper im Universum von jedem anderen Körper angezogen wird. Die dabei wirkende Kraft (Gravitation) ist abhängig von der Masse und Entfernung der Körper. Mit dieser Kraft erklärte Newton auch die elliptischen Bahnen der Himmelskörper und widerlegte die Idee der ptolemäischen Himmelssphären.

Newtons Gravitationsgesetze konnten das Universum zwar nicht hinreichend und vollständig erklären, aber es war ein enormer Schritt auf dem Weg dorthin. Seine Theorie führte jedoch zu einer der wichtigsten Erkenntnisse unserer heutigen Physik. Eine Erkenntnis, die er selbst nicht anerkennen wollte, obwohl sie sich aus seinen Gesetzen ergab: Es gibt keinen absoluten Ort und keinen absoluten Raum, d.h. es besteht keine eindeutige Möglichkeit, in einem Bezugssystem aus zwei Objekten festzustellen, welches der beiden Objekte in Ruhe verharrt und welches sich relativ zu dem anderen bewegt. Beide Objekte haben gleichberechtigte Vorraussetzungen. Es gibt ebenso keine Möglichkeit, festzustellen, ob zwei Ereignisse die zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfanden, das auch am selben Ort taten. Die Position von Ereignissen im Raum ist also abhängig vom Beobachter und keiner Beobachtung ist dabei ein Vorzug zu geben.

Der zweite Ansatzpunkt für Einstein ergab sich aus aus folgenden Experimenten: 1676, also 11 Jahre vor Newtons Veröffentlichung über die Gravitation, stellte der Däne Ole Christensen Rømer fest, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit hat (299.792 km/s im Vakuum). Im Jahr 1865 schlug der Engländer James Clerk Maxwell eine Theorie vor, die die Ausbreitung des Lichts auf Basis der Elektrizität und des Magnetismus - zwei bis dahin getrennte Teilgebiete der Physik - erklärte. Laut Maxwell ist Licht eine wellenförmige Störung im elektromagnetischen Feld und hat eine konstante Geschwindigkeit.

Da aber Newtons Theorie keinen absoluten Ruhepunkt zur Beobachtung zuließ, musste man angeben, worauf sich die konstante Lichtgeschwindigkeit bezieht. Also postulierte man den "Äther", durch den sich das Licht ähnlich wie Schallwellen durch Luft fortbewegte und die Lichtgeschwindigkeit sei relativ zu diesem Äther konstant. Beobachter, die sich allerdings relativ zu diesem Äther bewegten, würden wiederum unterschiedliche Geschwindigkeiten des Lichts messen können, nahm man weiterhin an. Aber 1887 führten Albert Michelson und Edward Morley sehr genaue Messungen durch und konnten keine Abweichungen in der Lichtgeschwindigkeit feststellen!

1905 erklärte dann der bis dahin recht unbekannte Patentamt-Beamte Albert Einstein in seiner Veröffentlichung "Zur Elektrodynamik bewegter Körper", die Vorstellung vom Äther sei überflüssig, wenn man sich vom Gedanken der absoluten Zeit trennt. Einstein kombinierte die Konsequenz aus den Newtonschen Gesetzten, "es gibt keinen absoluten Raum", mit den Konsequenzen des Michelson-Morley-Experiements, "die Lichtgeschwindigkeit ist immer konstant". Er forderte, dass die Naturgesetze für alle Beobachter und alle Bezugssysteme gleich sein müssen.

Einsteins Antrieb war dabei, den Widerspruch zwischen diesen beiden Gebieten zu lösen. Der Clou war, dass Einstein statt der Galilei-Transformation die aus der Elektrodynamik stammende Lorentz-Transformation auf die Mechanik anwandte. Die grandiose Schlussfolgerung Einsteins war nun, Raum und Zeit sind keine absoluten, unveränderlichen Größen mehr, sondern müssen sich mit der Bewegung eines Beobachters relativ zu seinem Bezugssystem verändern, um obiges Postulat zu erfüllen. Das war die einzig logische Erklärung für den Widerspruch und es ist die entscheidende Erkenntnis der speziellen Relativitätstheorie!

Ein anschauliches Beispiel ist folgendes: Statt unserer Straßenbahn nehmen wir nun einen ICE, dessen Scheinwerfer das Licht mit der üblichen Geschwindigkeit aussenden. Ein Lichtstrahl von einem sehr schnell fahrenden Zug wird aber nicht schneller sein und auch nicht den Lichtstrahl eines stehenden Zuges einholen. Es gibt also keine Addition der Geschwindigkeiten. Die Lichtgeschwindigkeit wird von jedem beliebigen Beobachter als gleich schnell gemessen und stellt die absolute Obergrenze für alle Bewegungen von Körpern und Signalen dar, also auch für jegliche Information!

Nun treten als Ergebnis der speziellen Relativitätstheorie weitere Phänomene auf: die "Zeitdilatation" (Zeitdehnung), die "Längenkontraktion" sowie die Zunahme der Masse bei annähernder Lichtgeschwindigkeit. Und sie treten umso stärker auf, je mehr man sich der Lichtgeschwindigkeit ("c") nähert. Zeitdehnung und Längenkontraktion treten immer gemeinsam auf und sind lediglich abhängig vom Standort des Betrachters. Sich schnell bewegende Objekte sind für einen ruhenden Beobachter in der Länge verkürzt und deren Zeit vergeht langsamer.

Zur Veranschaulichung zwei Beispiele: In unserem Beispiel sitzt nun eine Person mit einer Taschenlampe und einem Spiegel in dem fahrenden ICE. Dieser Beobachter schaltet die Lampe ein und lässt den Lichtstrahl nach oben gegen den Spiegel leuchten. Für ihn geht der Lichtstrahl senkrecht nach oben und wieder senkrecht zurück zur Lichtquelle und legt dabei den Weg S¹ zurück. Dabei vergeht für ihn die Zeit T¹. Ein Beobachter außerhalb des Zuges sieht etwas anderes. Während der Lichtstrahl von der Lampe losfliegt, den Weg bis zum Spiegel und wieder zurück zur Lampe zurücklegt, bewegt sich der Zug vorwärts und somit auch der Spiegel. Also hat der zurückgelegte Weg des Lichtstrahls die Form eines auf dem Kopf stehenden "V", der Weg des Lichtstrahls ist länger geworden, Beobachter 2 misst also den Weg S². Er misst auch die Zeit T² für den gleichen Vorgang. Obwohl beide Beobachter unterschiedliche Bezugssysteme für die Messung ihrer Lichtgeschwindigkeit benutzen, ist ihr Licht gleich schnell. Das geht nur, wenn für den bewegten Beobachter auf dem Zug - aus Sicht des ruhenden Beobachters - die Zeit langsamer vergeht.

Die Zeitdilatation wurde später durch Abweichungen von Atomuhren an Bord von Flugzeugen gegenüber erdgebundenen Uhren nachgewiesen. Bei der Untersuchung von Myonen wurde die Dilatation ebenfalls experimentell nachgewiesen. Diese Teilchen entstehen beim Aufprall kosmischer Strahlung auf die Erdatmosphäre in großer Höhe. Myonen bewegen sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit, haben aber eine sehr geringe Lebensdauer von lediglich 2 µ-Sekunden, in der sie eigentlich nur 600 Meter zurücklegen. Trotzdem schaffen es diese Teilchen aus der oberen Atmosphäre bis auf die Erdoberfläche.

Die Gleichzeitigkeit von Ereignissen wird durch diese Phänomene ebenfalls relativiert. Nur über die Ereignisse an sich können sich verschiedene Beobachter einig sein, nicht über deren Ort oder Zeitraum dazwischen.

Ein weiteres Ergebnis ist die Massenzunahme, die ein außen stehender Beobachter bei schnell bewegten Objekten wahrnimmt. Die wohl bekannteste Formel der Welt E=mc² wird oft mit der Relativitätstheorie gleichgesetzt. Sie ist in Wahrheit nur ein Teil davon und noch nicht einmal der bedeutendste. Die Aussage ist, dass Masse und Energie gleichwertig sind und sich ineinander überführen lassen.

Fassen wir zusammen: Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant! Das muss sie sein, damit sie für jeden Beobachter unabhängig seines Bezugssystems gleich ist. Konsequenz daraus sind die nur relativ feststellbaren Bewegungen, die Zeitdehnung und Längenverkürzung eines bewegten Systems sowie der Relativcharakter von Raum und Zeit.

Weiter geht es in Teil 2 mit der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik.

← Zurück zur Textübersicht