Wenn Sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, vergeht die Zeit für den Reisenden merklich anders als für die Person, die sich in einem konstanten Bezugssystem befindet. Weder das Zwillingsparadoxon noch das Michelson-Morley-Experiment haben Einsteins Keim für die Entwicklung der Relativitätstheorie gelegt. (TWIN PARADOX, VIA TWIN-PARADOX.COM)

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

Faradays Induktionsgesetz wurde 1834 aufgestellt und war das Experiment, das Einstein zur Entdeckung der Relativitätstheorie veranlasste.

Wenn wir an Einstein und die Relativitätstheorie denken, sind alle möglichen Legenden darüber zu lesen. Was hat ihn dazu inspiriert, sich vorzustellen, dass es keinen Äther oder ein Medium gibt, durch das Licht hindurchwandern kann? Was brachte ihn auf die Idee, dass die Lichtgeschwindigkeit für jeden Beobachter eine Konstante war, unabhängig davon, wie sie sich relativ zueinander bewegten?

Es gab viele großartige Fortschritte, auf die die Leute gerne hinweisen. Es gab das Michelson-Morley-Experiment, das nach Bewegung durch den Äther suchte und keine entdeckte. Da war die Arbeit von Lorentz und Fitzgerald, die zeigte, dass sich die Länge zusammenzog und die Zeit sich verlängerte, wenn man sich der Lichtgeschwindigkeit näherte. Und da war die Arbeit von Maxwell, der vor Jahrzehnten Elektrizität mit Magnetismus vereinte.

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

Ausschnitt aus einer Lithographie von Michael Faraday mit einem Weihnachtsvortrag in der Royal Institution, um 1856. (ALEXANDER BLAIKLEY)

Michael Faraday war einer der größten Physiker des 19. Jahrhunderts, aber er war in einer Weise großartig, 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 raffinierten Versuchsanordnungen enthüllten.

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

Magnetfeldlinien, dargestellt durch einen Stabmagneten: ein magnetischer Dipol, bei dem Nord- und Südpol miteinander verbunden sind. Diese Permanentmagnete bleiben auch nach Wegnahme äußerer Magnetfelder magnetisiert. Es wurde nicht erkannt, dass Magnetismus und Elektrizität über Jahrhunderte miteinander verbunden waren. (NEWTON HENRY SCHWARZ, HARVEY N. DAVIS (1913) PRAKTISCHE PHYSIK)

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

  • Elektrizität beruhte auf dem Gedanken, dass geladene Teilchen entweder stationär sein könnten (wo sie sich anziehen oder abstoßen würden) oder sich bewegen könnten (wo sie elektrische Ströme erzeugen würden), wobei statische Elektrizität ein Beispiel für die erstere und Blitz ein Beispiel für die letztere.
  • Magnetismus wurde als permanentes Phänomen behandelt, bei dem bestimmte Mineralien oder Metalle permanent magnetisiert werden konnten, und die Erde selbst wurde auch als Permanentmagnet angesehen, der die Orientierung mit dem Kompass ermöglichte.

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

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

Wenn Sie eine Kompassnadel neben ein Kabel legen, durch das elektrischer Strom fließt, wird die Kompassnadel immer so abgelenkt, dass sie senkrecht zum Kabel ausgerichtet ist. Tatsächlich wurde dies so wenig erwartet, dass beim ersten Versuch die Nadel zunächst senkrecht zum Draht aufgestellt wurde und kein Effekt beobachtet wurde. Die Erwartung war, dass sich die Nadel mit dem elektrischen Strom ausrichtet und nicht senkrecht dazu.

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

Das Konzept der elektromagnetischen Induktion, dargestellt über einen Stabmagneten und eine Drahtschleife. (RICHARD VAWTER VON WESTERN WASHINGTON UNIVERSITY)

Vielleicht haben Sie von Newtons drittem Bewegungsgesetz gehört: Für jede Handlung gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Wenn Sie gegen einen Gegenstand stoßen, stößt der Gegenstand mit gleicher und entgegengesetzter Kraft gegen Sie zurück. Wenn die Erde Sie aufgrund der Schwerkraft nach unten zieht, müssen Sie die Erde auch aufgrund der Schwerkraft mit gleicher und entgegengesetzter Kraft nach oben ziehen.

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

Eine der frühesten Anwendungen des Faradayschen Induktionsgesetzes war die Feststellung, dass eine Drahtspule, die im Inneren ein Magnetfeld erzeugen würde, ein Material magnetisieren und eine Änderung seines inneren 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) ausgelenkt würde. Moderne Induktivitäten beruhen immer noch auf dem gleichen Prinzip. (WIKIMEDIA COMMONS BENUTZER EVIATAR BACH)

Nachdem er auf verschiedene Weise an dem Versuchsaufbau herumgebastelt hatte, konnte er zeigen, wie dies im Detail funktionierte.

  • Wenn Sie das Magnetfeld in einer Schleife oder einer Drahtspule ändern, induzieren Sie einen elektrischen Strom, der der Feldänderung entgegenwirkt.
  • Wenn Sie einen Eisenring um zwei Drahtschleifen legen und einen 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.
  • Wenn Sie eine Spule aus stromführendem Draht in das Innere einer Drahtspule hinein- oder herausbewegen, ohne dass Strom durch sie fließt, wird in der größeren Spule ein elektrischer Strom erzeugt.
Eines von Faradays Experimenten von 1831, das die Induktion demonstrierte. Die Flüssigbatterie (rechts) sendet elektrischen Strom durch die kleine Spule (A). Wenn es in die große Spule (B) hinein- oder herausbewegt wird, induziert sein Magnetfeld eine momentane Spannung in der Spule, die vom Galvanometer erfasst wird. (J. LAMBERT)

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

  1. Sie haben eine feste, stationäre Drahtspule und einen Stabmagneten, den Sie in die Drahtspule hinein- oder herausbewegen 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 bewegen oder von ihm entfernen 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 Relativität nachdenken, haben sie enorm unterschiedliche Auswirkungen auf das, was physisch 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 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, entsteht ein elektrisches Feld mit einer bestimmten Energiemenge, 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, entsteht um den Magneten kein elektrisches Feld. Stattdessen entsteht im Leiter eine Spannung (oder elektromotorische Kraft), der überhaupt keine entsprechende Energie eigen ist. Dies entspricht dem obigen Fall Nr. 2.

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

Eine Lichtuhr, die von einem zwischen zwei Spiegeln springenden Photon gebildet wird, definiert die Zeit für jeden Beobachter. Obwohl die beiden Beobachter sich möglicherweise nicht einig sind, wie viel Zeit vergeht, werden sie sich auf die Gesetze der Physik und auf die Konstanten des Universums wie die Lichtgeschwindigkeit einigen. Wenn die Relativitätstheorie korrekt angewendet wird, werden ihre Messungen als einander äquivalent befunden. (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 änderte, unabhängig davon, ob Sie sie mit der Erdbewegung ausrichten (die eine Geschwindigkeit von 30 km / s hat). relativ zur Sonne oder ungefähr 0,01% der Lichtgeschwindigkeit) oder in einem beliebigen Winkel in Bezug auf die Erdbewegung. Klar, das könnte es uns klarer machen, um zu erklären, warum Relativitätstheorie im Nachhinein Sinn machen muss.

Dies war jedoch nur ein untergeordnetes 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 Relativität nach Galiläa wahr wäre (unten, gepunktet). Die Lichtgeschwindigkeit war unabhängig von der Richtung, in der das Interferometer ausgerichtet war, gleich, auch mit einem Winkel zu, senkrecht zu oder gegen die Bewegung der Erde durch den Raum. (Albert A. Michelson (1881); A. A. Michelson und E. Morley (1887))

Wenn das Universum einen Bezugsrahmen hätte, der sich von den anderen unterscheidet, dann könnten Sie einige Messungen vornehmen, die Ihnen zeigen, wie sich die Naturgesetze unterschieden, wenn Sie sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung bewegten. Aber das stimmt nicht mit dem Universum überein, das wir haben. Unabhängig davon, 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, hängt von unserem Bezugsrahmen ab, aber das ist zu erwarten. Nur durch das Zusammenfügen all dieser Teile und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter wuchs die Relativitätstheorie von einem Prinzip zu einer vollwertigen Theorie. 1905 veränderte Einstein für immer, wie wir das Universum betrachteten, aber die Keime waren bereits 1834 da. Relativität 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 aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.