Physik - Teil 1

Mein Interesse für die Naturwissenschaften wurde vermutlich mit Beginn meines Physikunterrichts durch einen sehr charismatischen Lehrer geweckt, der dies auch erkannte und förderte. Schon recht früh 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 ich sie ganz und gar nicht als trocken. Keines der anderen naturwissenschaftlichen Fächer übte einen solchen Reiz auf mich aus wie die Physik. Chemie und noch mehr Biologie empfand ich eher 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 Vorgangs 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 eingehende 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. So lange 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 Erkenntnisse 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 all ihre Konsequenzen verstanden zu haben, denn das tun wohl die Wenigsten. Aber zumindest die Kernaussage ist mir anhand von Beispielen zugänglich. Die Meinung, Einsteins Relativitätstheorie 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 jahrhundertelang 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 ließ sich auch mit der damaligen christlichen Kosmologie vereinbaren und wurde von der Kirche als mit der Heiligen Schrift vereinbar angesehen.

Aristoteles war es auch, der annahm, die irdische Materie bestehe aus den vier Elementen Erde, Wasser, Luft und Feuer. Ihre Bewegungen erklärte er vereinfacht durch natürliche Tendenzen: Schweres strebe nach unten, Leichtes nach oben. Das Erstaunliche ist, dass die grundsätzliche Unterscheidung zwischen Materie und den auf sie wirkenden Kräften auch in der modernen Physik eine zentrale Rolle spielt.

Rund 1400 Jahre nach Ptolemäus formulierte Nikolaus Kopernikus ein mathematisch ausgearbeitetes heliozentrisches Weltbild, in dem die Sonne im Mittelpunkt des Planetensystems stand. Gut 60 Jahre später entwickelte Johannes Kepler dieses Modell anhand der Beobachtungsdaten Tycho Brahes weiter, während Galileo Galilei es durch seine teleskopischen Beobachtungen zusätzlich stützte.

Allerdings blieb auch dieses Modell selbst für Kepler noch unvollständig, weil er die beobachteten elliptischen Umlaufbahnen der Planeten nicht überzeugend mit seiner Vorstellung erklären konnte, dass magnetische Kräfte die Planeten um die Sonne bewegten. Dies gelang erst 1687 Isaac Newton in seiner "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", in der er das allgemeine Gravitationsgesetz formulierte und damit die Mechanik revolutionierte.

Newton lieferte zur Theorie der Bewegung von Körpern auch die mathematische Beschreibung und formulierte ein Gravitationsgesetz, nach dem jeder Körper im Universum von jedem anderen Körper angezogen wird. Die dabei wirkende Kraft ist abhängig von den Massen beider Körper und nimmt mit dem Quadrat ihrer Entfernung ab. Mit dieser Kraft erklärte Newton auch die elliptischen Bahnen der Himmelskörper und machte die Vorstellung ptolemäischer Himmelssphären physikalisch überflüssig.

Newtons Gravitationsgesetze konnten das Universum zwar nicht hinreichend und vollständig erklären, aber sie waren ein enormer Schritt auf dem Weg dorthin. Seine Mechanik enthielt dabei bereits eine wichtige Erkenntnis, auch wenn Newton selbst weiterhin von einem absoluten Raum und einer absoluten Zeit ausging: Es gibt keine eindeutige Möglichkeit, bei zwei gleichförmig zueinander bewegten Objekten festzustellen, welches von beiden „wirklich“ ruht und welches sich bewegt. Beide Bezugssysteme sind physikalisch gleichberechtigt.
Auch die räumliche Position eines Ereignisses hängt vom gewählten Bezugssystem ab. Ein Ereignis, das für einen Beobachter immer am selben Ort stattfindet, kann für einen anderen Beobachter an verschiedenen Orten stattfinden. Auch hier ist keinem der beiden Bezugssysteme grundsätzlich ein Vorzug zu geben.

Der zweite Ansatzpunkt für Einstein ergab sich 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 besitzt. Heute wissen wir, dass sie im Vakuum 299.792 km/s beträgt. Im Jahr 1865 entwickelte der Schotte James Clerk Maxwell eine Theorie, die Elektrizität und Magnetismus – zwei bis dahin getrennte Teilgebiete der Physik – miteinander verband. Aus seinen Gleichungen ergab sich, dass sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Daraus folgte die Erkenntnis, dass Licht selbst eine elektromagnetische Welle ist.

Da aber Newtons Theorie keinen absoluten Ruhepunkt zur Beobachtung zuließ, musste man angeben, worauf sich diese Geschwindigkeit beziehen sollte. Also postulierte man den „Äther“, durch den sich das Licht ähnlich wie Schallwellen durch Luft fortbewegen sollte. Die Lichtgeschwindigkeit sollte relativ zu diesem Äther konstant sein. Beobachter, die sich relativ zum Äther bewegten, müssten demnach unterschiedliche Lichtgeschwindigkeiten messen. Doch 1887 führten Albert Michelson und Edward Morley sehr genaue Messungen durch und konnten den erwarteten Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit nicht feststellen!

1905 erklärte dann der bis dahin recht unbekannte Beamte des Schweizer Patentamtes in Bern, 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 verband die Konsequenz aus der klassischen Mechanik, dass sich bei gleichförmiger Bewegung kein bevorzugter Ruhezustand feststellen lässt, mit der Erkenntnis aus den Experimenten von Michelson und Morley, dass sich der erwartete Einfluss einer Bewegung durch den Äther auf die Lichtgeschwindigkeit nicht nachweisen ließ. Er forderte, dass die Naturgesetze für alle gleichförmig bewegten Beobachter in gleicher Weise gelten und dass jeder von ihnen im Vakuum dieselbe Lichtgeschwindigkeit misst.

Einsteins Antrieb war dabei, den Widerspruch zwischen klassischer Mechanik und Elektrodynamik aufzulösen. In der klassischen Physik verwendete man für gleichförmige Bewegungen ein einfaches Umrechnungsmodell: Beobachter, die sich gleichförmig gegeneinander bewegen, konnten ihre Messungen ineinander umrechnen, wobei Raum und Zeit für beide unverändert blieben und sich Geschwindigkeiten einfach addierten. Dieses Modell nennt man Galilei-Transformation.
Bei elektromagnetischen Vorgängen und insbesondere beim Licht funktionierte dieses Schema jedoch nicht. Hier führte die Lorentz-Transformation zu einem anderen Ergebnis: Damit die Lichtgeschwindigkeit für unterschiedlich bewegte Beobachter gleich bleibt, müssen sich nicht nur Ortsangaben, sondern auch gemessene Entfernungen und Zeitintervalle verändern können.
Einsteins Schlussfolgerung war nun: Raum und Zeit sind keine absoluten Größen, sondern müssen sich für relativ zueinander bewegte Beobachter verändern, damit das Postulat der konstanten Lichtgeschwindigkeit erfüllt werden kann.
Damit ließ sich der Widerspruch auflösen – und genau darin liegt eine der entscheidenden Erkenntnisse der speziellen Relativitätstheorie!

Nun treten als Ergebnis der speziellen Relativitätstheorie weitere Phänomene auf: die „Zeitdehnung“ (Zeitdilatation) und die „Längenkontraktion“. Beide Effekte werden umso stärker, je mehr sich die relative Geschwindigkeit zweier Beobachter der Lichtgeschwindigkeit („c“) nähert. Für einen Beobachter erscheinen schnell bewegte Objekte in Bewegungsrichtung verkürzt, und die Zeit in dem bewegten System vergeht aus seiner Sicht langsamer.
Mit relativer Geschwindigkeit ist dabei die Geschwindigkeit gemeint, mit der sich zwei Beobachter oder Systeme gegeneinander bewegen. Einen absoluten Bewegungszustand gibt es nicht. Die Ruhemasse eines Körpers – also seine Masse in seinem eigenen Ruhesystem – bleibt dabei unverändert. Mit zunehmender Geschwindigkeit wachsen jedoch seine Energie und sein Impuls, vereinfacht gesagt also seine Bewegungsenergie und sein Schwung.

Die Zeitdilatation wurde unter anderem mit hochpräzisen Atomuhren experimentell bestätigt. Bei Versuchen mit Atomuhren an Bord von Flugzeugen zeigten sich gegenüber Uhren am Boden messbare Zeitunterschiede. Dabei spielen allerdings sowohl die Geschwindigkeit des Flugzeugs als auch die unterschiedliche Stärke der Gravitation eine Rolle.
Auch bei Myonen lässt sich die Zeitdilatation beobachten. Diese Teilchen entstehen durch Wechselwirkungen kosmischer Strahlung in der Erdatmosphäre typischerweise in Höhen von etwa 10 bis 20 Kilometern. Sie bewegen sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit, haben jedoch nur eine mittlere Lebensdauer von etwa 2,2 Mikrosekunden (0,0000022 s). Ohne relativistische Zeitdilatation könnten sie dabei nur ungefähr 660 Meter zurücklegen. Trotzdem erreichen viele von ihnen die Erdoberfläche.

Ein weiterer Effekt betrifft die Gleichzeitigkeit. Zwei Ereignisse, die für einen Beobachter gleichzeitig stattfinden, können für einen anderen Beobachter, der sich bewegt, zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden. „Gleichzeitig“ ist also nicht für jeden Beobachter dasselbe. Zu kompliziert? Keine Sorge – das nächste Beispiel macht den Effekt anschaulicher.

Neben den Auswirkungen auf Raum und Zeit zeigt sich die spezielle Relativitätstheorie auch bei schnell bewegten Körpern. Je schneller sich ein Objekt relativ zu einem Beobachter bewegt, desto mehr Energie ist nötig, um seine Geschwindigkeit noch weiter zu erhöhen. Gleichzeitig wächst sein Impuls, während seine Ruhemasse unverändert bleibt. Früher wurde dieser Effekt häufig als „Massenzunahme“ beschrieben.

Die wohl bekannteste Formel der Welt, E=mc², wird häufig mit der gesamten Relativitätstheorie gleichgesetzt. Tatsächlich beschreibt sie nur einen Teil davon: Sie zeigt den grundlegenden Zusammenhang zwischen Masse und Energie.

Fassen wir zusammen: Die Naturgesetze gelten für alle gleichförmig bewegten Beobachter in gleicher Weise, und die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist für alle gleich. Daraus ergeben sich unter anderem Zeitdilatation und Längenkontraktion sowie die Erkenntnis, dass Raum und Zeit keine absoluten Größen sind und auch die Gleichzeitigkeit vom jeweiligen Bezugssystem abhängt.