Wenn Sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, vergeht die Zeit für den Reisenden erheblich anders als für die Person, die sich in einem konstanten Bezugsrahmen befindet. Aber weder das Zwillingsparadoxon noch das Michelson-Morley-Experiment haben Einsteins Samen für die Entwicklung der Relativitätstheorie gepflanzt. (TWIN PARADOX, ÜBER TWIN-PARADOX.COM)

Relativitätstheorie war nicht Einsteins Wunder; Es wartete 71 Jahre lang in Sichtweite

Faradays Induktionsgesetz wurde 1834 aufgestellt und war das Experiment, das Einstein dazu brachte, die Relativitätstheorie zu entdecken.

Wenn wir an Einstein und die Relativitätstheorie denken, umgeben ihn alle möglichen Legenden. Was hat ihn dazu inspiriert, sich die Vorstellung vorzustellen, dass es keinen Äther oder ein Medium gibt, durch das das Licht reisen kann? Was brachte ihn auf die Idee, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante war, die für alle Beobachter unverändert blieb, egal wie sie sich relativ zueinander bewegten?

Es gab viele große Fortschritte, auf die die Leute gerne hinweisen. Es gab das Michelson-Morley-Experiment, das nach Bewegung durch den Äther suchte und keine entdeckte. Es gab die Arbeiten von Lorentz und Fitzgerald, die zeigten, dass sich die Längen zusammenzogen und die Zeit erweiterte, wenn Sie sich der Lichtgeschwindigkeit näherten. Und da war die Arbeit von Maxwell, der Jahrzehnte zuvor Elektrizität mit Magnetismus vereinte.

Aber es war keines davon. Laut Einstein selbst war es ein Experiment von Faraday aus dem Jahr 1834. Es war das Gesetz der elektromagnetischen Induktion.

Detail einer Lithographie von Michael Faraday mit einem Weihnachtsvortrag in der Royal Institution, circa 1856. (ALEXANDER BLAIKLEY)

Michael Faraday war einer der größten Physiker des 19. Jahrhunderts, aber er war großartig in einer Weise, die wir nicht oft schätzen. Heute könnten wir ihn als bloßen Bastler abtun, weil seine großen Erfolge nicht auf Gleichungen oder explizit quantitativen Vorhersagen beruhten, sondern auf den Ergebnissen, die seine genialen Versuchsanordnungen zeigten.

Zu einer Zeit, als Elektrizität zum ersten Mal genutzt wurde und ihre Anwendungen noch in den Kinderschuhen steckten, enthüllte Faraday tiefe Wahrheiten über die Verbindung von Elektrizität mit Magnetismus.

Magnetfeldlinien, wie durch einen Stabmagneten dargestellt: ein magnetischer Dipol mit einem Nord- und Südpol, die miteinander verbunden sind. Diese Permanentmagnete bleiben auch nach dem Entfernen externer Magnetfelder magnetisiert. Es wurde nicht erkannt, dass Magnetismus und Elektrizität jahrhundertelang miteinander verbunden waren. (NEWTON HENRY SCHWARZ, HARVEY N. DAVIS (1913) PRAKTISCHE PHYSIK)

Elektrizität und Magnetismus waren nicht immer miteinander verbunden. Tatsächlich wurden sie ursprünglich als völlig unabhängige Phänomene behandelt.

  • Elektrizität basierte auf der Vorstellung von geladenen Teilchen, die entweder stationär (wo sie sich anziehen oder abstoßen würden) oder in Bewegung (wo sie elektrische Ströme erzeugen würden) sein könnten, wobei statische Elektrizität ein Beispiel für die erstere und Blitz ein Beispiel für die sein könnte letztere.
  • Der Magnetismus wurde als permanentes Phänomen behandelt, bei dem bestimmte Mineralien oder Metalle permanent magnetisiert werden konnten, und die Erde selbst wurde ebenfalls als permanenter Magnet angesehen, der eine Orientierung mit dem Kompass ermöglichte.

Erst 1820, mit dem Oerstad-Experiment, begannen wir zu verstehen, dass diese beiden Phänomene miteinander verbunden waren.

Schulapparat zur Durchführung des Øersted-Experiments, das zeigt, dass elektrische Ströme Magnetfelder erzeugen, erstmals am 21. April 1820 vom dänischen Wissenschaftler Hans Christian Øersted durchgeführt. Es besteht aus einem leitenden Draht, der über einer Kompassnadel hängt. Wenn ein elektrischer Strom wie gezeigt durch den Draht fließt, wird die Kompassnadel mit dem Draht in einem rechten Winkel abgelenkt. (AGUSTIN PRIVAT-DESCHANEL)

Wenn Sie eine Kompassnadel neben einen Draht legen, durch den elektrischer Strom fließt, wird die Kompassnadel immer so ausgelenkt, dass sie senkrecht zum Draht ausgerichtet ist. Tatsächlich wurde dies so schlecht erwartet, dass bei der ersten Durchführung des Experiments die Nadel anfänglich senkrecht zum Draht aufgestellt wurde und kein Effekt beobachtet wurde. Die Erwartung war, dass sich die Nadel mit dem elektrischen Strom ausrichten würde und nicht senkrecht dazu.

Gut für Bastler, die daran dachten, das Experiment mit der bereits am Draht ausgerichteten Nadel durchzuführen und den ersten Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus beobachten konnten. Das Ergebnis dieses Experiments zeigte etwas Revolutionäres: Ein elektrischer Strom oder bewegte elektrische Ladungen erzeugten ein Magnetfeld. Der nächste Schritt von Faraday wäre noch revolutionärer.

Das Konzept der elektromagnetischen Induktion wird anhand eines Stabmagneten und einer Drahtschleife veranschaulicht. (RICHARD VAWTER DER WESTERN WASHINGTON UNIVERSITY)

Sie haben vielleicht von Newtons drittem Bewegungsgesetz gehört: Für jede Handlung gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Wenn Sie gegen ein Objekt drücken, drückt das Objekt mit gleicher und entgegengesetzter Kraft auf Sie zurück. Wenn die Erde Sie aufgrund der Schwerkraft nach unten zieht, müssen Sie die Erde mit gleicher und entgegengesetzter Kraft nach oben ziehen, auch aufgrund der Schwerkraft.

Nun, wenn eine sich bewegende elektrische Ladung in einem Draht ein Magnetfeld erzeugen kann, dann ist vielleicht das Gleiche und Gegenteil der Fall: Vielleicht kann die richtige Erzeugung eines Magnetfelds dazu führen, dass sich elektrische Ladungen in einem Draht bewegen und elektrischen Strom erzeugen? Faraday führte dieses Experiment selbst durch und stellte fest, dass Sie einen elektrischen Strom in der Schleife selbst erzeugen würden, wenn Sie das Magnetfeld innerhalb einer Drahtschleife ändern, indem Sie beispielsweise einen Permanentmagneten hinein- oder herausbewegen.

Eine der frühesten Anwendungen des Faradayschen Induktionsgesetzes bestand darin, festzustellen, dass eine Drahtspule, die im Inneren ein Magnetfeld erzeugen würde, ein Material magnetisieren und eine Änderung seines internen Magnetfelds verursachen könnte. Dieses sich ändernde Feld würde dann einen Strom in der Spule auf der anderen Seite des Magneten induzieren, wodurch die Nadel (rechts) abgelenkt wird. Moderne Induktivitäten beruhen immer noch auf demselben Prinzip. (WIKIMEDIA GEMEINSAMER BENUTZER EVIATAR BACH)

Nachdem er auf verschiedene Weise am Versuchsaufbau herumgebastelt hatte, konnte er demonstrieren, wie dies im Detail funktionierte.

  • Wenn Sie das Magnetfeld innerhalb einer Schleife oder einer Drahtspule ändern, induzieren Sie einen elektrischen Strom, der der Änderung des Feldes entgegenwirkt.
  • Wenn Sie einen Eisenring um zwei Drahtschleifen legen und einen elektrischen Strom durch eine Schleife leiten, erzeugen Sie einen Strom in der anderen Schleife.
  • Wenn Sie eine (leitende) Kupferscheibe in der Nähe eines Stabmagneten mit einer elektrischen Leitung drehen, können Sie einen konstanten elektrischen Strom erzeugen. Dies war die Erfindung des ersten elektrischen Generators.
  • Und wenn Sie eine Spule aus stromführendem Draht in das Innere einer Drahtspule hinein oder aus diesem heraus bewegt haben, ohne dass Strom durch sie fließt, wird in der größeren Spule elektrischer Strom erzeugt.
Eines von Faradays Experimenten von 1831, das die Induktion demonstrierte. Die Flüssigkeitsbatterie (rechts) sendet elektrischen Strom durch die kleine Spule (A). Wenn es in die große Spule (B) hinein oder aus dieser heraus bewegt wird, induziert sein Magnetfeld eine momentane Spannung in der Spule, die vom Galvanometer erfasst wird. (J. LAMBERT)

Dies wurde als Faradaysches Induktionsgesetz bekannt und wurde auf dieser Ebene bis 1834 gut verstanden. Durch das Nachdenken über dieses Phänomen begann Einstein, sein Relativitätsprinzip aufzudecken. Stellen Sie sich die folgenden zwei Einstellungen vor, die beide einen Stabmagneten und eine Drahtspule umfassen:

  1. Sie haben eine feste, stationäre Drahtspule und einen Stabmagneten, den Sie in die Drahtspule hinein oder aus dieser heraus bewegen können. Sie bewegen den Magneten mit konstanter Geschwindigkeit in die Spule und beobachten, wie der elektrische Strom in der Spule erscheint.
  2. Sie haben einen festen, stationären Stabmagneten und eine Drahtspule, die Sie frei auf den Magneten oder von diesem weg bewegen können. Sie bewegen die Spule mit konstanter Geschwindigkeit auf den Magneten und beobachten, wie der elektrische Strom in der Spule erscheint.

Wenn Sie über diese beiden Szenarien ohne Relativitätstheorie nachdenken, haben sie enorm unterschiedliche Auswirkungen auf das, was physikalisch auftreten würde.

Wenn Sie einen Magneten in eine Schleife oder eine Drahtspule bewegen (oder aus dieser heraus), ändert sich das Feld um den Leiter, wodurch eine Kraft auf geladene Teilchen ausgeübt wird und deren Bewegung induziert wird, wodurch ein Strom erzeugt wird. Die Phänomene sind sehr unterschiedlich, wenn der Magnet stationär ist und die Spule bewegt wird, aber die erzeugten Ströme gleich sind. Dies war der Ausgangspunkt für das Relativitätsprinzip. (OPENSTAXCOLLEGE BEI ​​OPENTEXTBC.CA, UNTER CC-BY-4.0)

Wenn Sie den Magneten in eine stationäre leitende Spule bewegen, sieht der Magnet ein elektrisches Feld mit einer bestimmten Energiemenge entstehen, und dieses Feld erzeugt einen Strom im Leiter, der von der Energie des Feldes abhängt, das der Magnet erzeugt. Dies entspricht dem obigen Fall Nr. 1.

Wenn Sie stattdessen den Magneten stationär halten und den Leiter bewegen würden, würde kein elektrisches Feld um den Magneten entstehen. Stattdessen entsteht im Leiter eine Spannung (oder elektromotorische Kraft), der überhaupt keine entsprechende Energie innewohnt. Dies entspricht dem obigen Fall Nr. 2.

Experimentell müssen diese beiden Einstellungen jedoch gleichwertig sein. Sie erzeugen in den Drahtspulen die gleichen elektrischen Ströme gleicher Größe und Intensität. Diese Erkenntnis führte Einstein mehr als jede andere zum Relativitätsprinzip.

Eine Lichtuhr, die durch ein zwischen zwei Spiegeln springendes Photon gebildet wird, definiert die Zeit für jeden Beobachter. Obwohl sich die beiden Beobachter möglicherweise nicht darüber einig sind, wie viel Zeit vergeht, werden sie sich über die Gesetze der Physik und über die Konstanten des Universums wie die Lichtgeschwindigkeit einig sein. Wenn die Relativitätstheorie korrekt angewendet wird, werden ihre Messungen einander äquivalent sein. (JOHN D. NORTON)

Das Prinzip erkennt in erster Linie an, dass es keinen Zustand absoluter Ruhe gibt. Die Relativitätstheorie schreibt vor, dass alle Beobachter, unabhängig davon, wie schnell oder in welche Richtung sie sich bewegen, dieselben Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus sowie dieselben Gesetze der Mechanik sehen.

Wenn wir heute über Relativitätstheorie sprechen, diskutieren wir fast immer das Michelson-Morley-Experiment, das zeigte, dass sich die Lichtgeschwindigkeit nicht geändert hat, unabhängig davon, ob Sie sie an der Erdbewegung ausrichten (mit einer Geschwindigkeit von 30 km / s). relativ zur Sonne oder ungefähr 0,01% der Lichtgeschwindigkeit) oder in einem beliebigen Winkel in Bezug auf die Erdbewegung. Sicher, das könnte es uns klarer machen, um zu erklären, warum Relativitätstheorie im Nachhinein Sinn machen muss.

Dies war jedoch nur ein zweitrangiges Anliegen, wie sowohl Einstein selbst in der Literatur als auch Max Born, der Jahre später über Einstein schrieb, feststellten.

Das Michelson-Interferometer (oben) zeigte eine vernachlässigbare Verschiebung der Lichtmuster (unten, fest) im Vergleich zu dem, was erwartet wurde, wenn die galiläische Relativitätstheorie wahr war (unten, gepunktet). Die Lichtgeschwindigkeit war unabhängig von der Richtung, in die das Interferometer ausgerichtet war, gleich, auch in einem Winkel, senkrecht zu oder gegen die Bewegung der Erde durch den Weltraum. (ALBERT A. MICHELSON (1881); AA MICHELSON UND E. MORLEY (1887))

Wenn das Universum einen Bezugsrahmen hätte, der sich von allen anderen unterscheidet, sollte es eine Messung geben, die Ihnen zeigen könnte, wie unterschiedlich die Naturgesetze sind, wenn Sie sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung bewegen. Aber das widerspricht dem Universum, das wir haben. Egal wie schnell Sie sich bewegen oder in welche Richtung Sie sich bewegen, die Gesetze der Physik sind dieselben, und jedes physikalische Experiment, das Sie durchführen können, liefert dieselben messbaren Ergebnisse und führt zu denselben physikalischen Phänomenen.

Die Art und Weise, wie wir diese Phänomene wahrnehmen, kann je nach Bezugsrahmen unterschiedlich sein, aber das ist zu erwarten. Nur durch die Zusammenstellung all dieser Teile und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter entwickelte sich die Relativitätstheorie von einem Prinzip zu einer vollwertigen Theorie. 1905 veränderte Einstein für immer unsere Sichtweise auf das Universum, aber die Samen waren bereits 1834 da. Die Relativitätstheorie war kein Wunder. Die Samen brauchten nur 71 Jahre, um richtig zu keimen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.