Von Einzelteilchenexperimenten über Tischaufbauten bis hin zu astrophysikalischen Phänomenen beobachten alle Beobachter im gesamten Universum, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Situationen konstant ist. Bildnachweis: United States Air Force.

Was ist das Besondere an der speziellen Relativitätstheorie?

Einsteins erste große Revolution fand bereits 1905 statt. Sie verblüfft noch heute viele Amateure und Profis.

"Jeder Lichtstrahl bewegt sich im Koordinatensystem" in Ruhe "mit der bestimmten konstanten Geschwindigkeit V, unabhängig davon, ob dieser Lichtstrahl von einem Körper in Ruhe oder einem Körper in Bewegung ausgesandt wird." - Albert Einstein, 1905

Es gibt nur wenige Ideen, die stark genug sind, um unser gesamtes Bild des Universums und seiner Funktionsweise zu formen: Gravitation, Bewegungsgesetze, Elektrizität und Magnetismus, Quantenmechanik. Vor etwas mehr als 100 Jahren stießen die Bewegungsgesetze, die zuerst von Newton aufgestellt wurden und auf den Ideen von Galileo aufbauten, auf Schwierigkeiten. Galileo hatte bereits im frühen 17. Jahrhundert festgestellt, dass es keinen absoluten und konstanten Ruhezustand gibt. Kein Beobachter hätte eine "privilegierte" Position. Es wurde aber auch festgestellt, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant war, egal wer der Beobachter war oder wie sie sich bewegten. Diese beiden Ideen scheinen möglicherweise kompatibel zu sein, aber Newtons Bewegungsgesetze konnten sie nicht zusammenbringen. Es bedurfte einer neuen Sicht auf das Universum und Einsteins Relativitätstheorie, um es zum Laufen zu bringen. Hier ist wie.

Eine französische 320-mm-Eisenbahnwaffe, die im Ersten Weltkrieg eingesetzt wurde.

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in einem Zug, bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 100 Meilen pro Stunde (45 m / s) und schießen mit einer zusätzlichen Geschwindigkeit von 89 m / s auf eine Kanonenkugel. Aus Ihrer Sicht sehen Sie im Zug, wie sich die Kanonenkugel mit 89 m / s bewegt. Aus der Perspektive anderer sehen sie am Boden, wie sich die Kanonenkugel mit 134 m / s bewegt, da sich die Geschwindigkeit des Zuges und der Kanonenkugel erhöhen sollte. Galileo hat dies vorausgesagt, und die Ergebnisse halten auch heute noch an. Aber wenn Sie die Kanonenkugel durch Licht ersetzen, wird alles wackelig. Licht bewegt sich mit 299.792.458 m / s (670.616.629 mph), und wenn Sie einen Lichtstrahl aus dem Zug herausschießen, werden Sie, eine Person auf dem Boden, eine Person in einem Flugzeug, eine Rakete oder jemand, der sich mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt, dies tun sehe dasselbe: Licht, das sich mit der gleichen universellen Geschwindigkeit fortbewegt, der Lichtgeschwindigkeit.

Das von einem Zug ausgestrahlte Licht scheint sich für alle Beobachter gleich schnell zu bewegen, unabhängig davon, ob sie sich im Zug oder in einem anderen sich bewegenden Körper befinden. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Downtowngal, unter einer Lizenz von c.c.a.-s.a.-3.0.

Die Art und Weise, wie dies entdeckt wurde, war nicht einfach. In den späten 1800er Jahren war die Erde selbst das schnellste, von dem wir in ständiger, kontrollierter Bewegung wussten. Es dreht sich am Äquator um seine Achse mit etwa 465 m / s, umkreist die Sonne jedoch mit etwa 30.000 m / s, wenn es sich durch den Weltraum bewegt. Es ist schnell genug, dass diese zweite Geschwindigkeit ungefähr 0,01% der Lichtgeschwindigkeit beträgt. Das scheint nicht viel zu sein, aber es ist schnell genug, dass wir Experimente durchführen können, um festzustellen, ob sich die Lichtgeschwindigkeit um diesen winzigen Betrag ändert.

Wenn die Armlängen gleich sind und die Geschwindigkeit entlang beider Arme gleich ist, kommt alles, was sich in beide senkrechten Richtungen bewegt, zur gleichen Zeit an. Wenn jedoch Gegenwind / Rückenwind in einer Richtung über der anderen herrscht, kommt es zu einer Verzögerung der Ankunftszeiten. Bildnachweis: LIGO Scientific Collaboration, über https://www.ligo.caltech.edu/page/ligos-ifo.

Wenn Sie von Paris nach New York fliegen und in einem Flugzeug gegen den Gegenwind fliegen, gefolgt von einem Rückenwind gleicher Stärke, dauert es etwas länger, bis dieses Flugzeug ankommt, als wenn überhaupt kein Wind wäre. Wenn das Licht diesem Prinzip gehorcht, würde es etwas länger dauern, bis sich eine Lichtwelle in Richtung der Erdumlaufbahn um die Sonne bewegt, als in einer Richtung senkrecht dazu. In den 1880er Jahren konstruierte Albert A. Michelson eine Reihe von hochempfindlichen Interferometern, die genau diese Tatsache ausnutzen sollten. Während sich das Interferometer in, senkrecht zu und gegen die Bewegungsrichtung der Erde drehte, hätte es Verschiebungen im Interferenzmuster geben müssen, das von den Lichtstrahlen erzeugt wurde, als sie sich durch den Raum bewegten. Es wurde jedoch nie eine Verschiebung beobachtet. Dieses Experiment ergab ein Null-Ergebnis.

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). Bildnachweis: Albert A. Michelson (1881); A. A. Michelson und E. Morley (1887). Über die relative Bewegung der Erde und des leuchtenden Äthers. American Journal of Science, 34 (203): 333.

Dies war vielleicht das wichtigste Nullergebnis in der Geschichte der Physik, da dies bedeutete, dass die Lichtgeschwindigkeit für jeden Beobachter konstant war. Wie Chad Orzel sagte, bestand der große Fortschritt von Einsteins Relativitätstheorie darin, zu erklären, dass die Gesetze der Physik nicht davon abhängen, wie Sie sich bewegen, und dass eines dieser Gesetze die Tatsache ist, dass die Lichtgeschwindigkeit für jeden eine Konstante ist! Was sich für verschiedene Beobachter ändert, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, ist nicht, wie schnell sich ein Lichtstrahl zu bewegen scheint, sondern wie schnell die Uhren des jeweils anderen zu laufen scheinen und wie groß die Entfernungen zwischen Objekten zu sein scheinen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Diese als Lorentz-Transformation bekannten Transformationen von Längenkontraktion und Zeitdilatation wurden experimentell nacheinander bestätigt.

Eine „Lichtuhr“ scheint bei Beobachtern, die sich mit unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten bewegen, unterschiedlich zu laufen, was jedoch auf die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zurückzuführen ist. Einsteins Gesetz der speziellen Relativitätstheorie regelt, wie diese Zeit- und Distanztransformationen stattfinden. Bildnachweis: John D. Norton, über http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/.

Das Besondere an der Relativitätstheorie ist, dass diese Gesetze für alle gelten, überall und zu jeder Zeit, auch tief im Inneren von Gravitationsfeldern aller Größenordnungen. Aber um das zu erklären, braucht man eine allgemeinere Theorie: Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Die Regeln der Speziellen Relativitätstheorie sind ein spezieller Fall der Allgemeinen Relativitätstheorie, bei dem Sie die Gravitationsfelder ignorieren können. Die spezielle Relativitätstheorie wurde zuerst 1905 von Einstein entdeckt. Zwei Jahre später, 1907, erhielt Michelson für seine Interferometerexperimente, die die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit belegen, den Nobelpreis. Erst 1915 beendete Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie, die durch die Gravitationsbiegung des Sternenlichts während einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919 bestätigt wurde.

Die Ergebnisse der Eddington-Expedition von 1919 zeigten schlüssig, dass die Allgemeine Relativitätstheorie die Biegung des Sternenlichts um massive Objekte beschrieb, wodurch das Newtonsche Bild gestürzt wurde. Bildnachweis: Illustrated London News, 1919.

Der besondere Fortschritt der speziellen Relativitätstheorie war die Kombination der konstanten Lichtgeschwindigkeit mit der Tatsache, dass Beobachter in allen Bezugssystemen dieselben Naturgesetze wahrnehmen. Das hält bis heute an! Seien Sie also versichert, egal wie Sie sich bewegen oder wo Sie sind, egal wann Sie aussehen oder wie Sie es tun, die Gesetze der Physik sind für Sie die gleichen wie für alle anderen. Und das ist eine Tatsache aus dem Universum, die auch nach 111 Jahren noch etwas Besonderes ist.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!