Einsteins einmalige Einsichten

Mythen der Relativitätstheorien

Die Physiker sind jetzt mit den Metaphysikern darüber einmütig, dass wir in einer Welt der Täuschung leben: glücklich, dass man nicht mehr nötig hat, darüber mit einem Gotte abzurechnen, über dessen Wahrhaftigkeit man zu seltsamen Gedanken kommen könnte. Friedrich Nietzsche

Zu Einsteins Thesen kursieren einige Mythen, als da sind:

Mythos 1: Es gibt eine Relativitätstheorie.

Falsch: Es gibt deren zwei, die Spezielle Relativitätstheorie (SRT, 1905), die wir in diesem Buch besprechen, und die Allgemeine Relativitätstheorie (ART, 1915). Die beiden haben nichts, aber auch gar nichts gemeinsam, und in wesentlichen Punkten widersprechen sie einander. Darauf werden wir bei der Besprechung der ART eingehen.

Mythos 2: Für die Relativitätstheorie gab es einen Nobelpreis.

Falsch. Für die Relativitätstheorien gab es niemals einen Nobelpreis. Das schwedische Nobelpreis-Komitee wurde praktisch gezwungen, Einstein überhaupt einen Nobelpreis zu verleihen, was es höchst widerstrebend tat. Aber nicht für die Relativitätstheorien, sondern für die Erklärung des fotoelektrischen Effekts, 1921, zusammen mit Niels Bohr.

Mythos 3: Alles ist relativ.

Falsch. Erkenntnisse und Postulate der SRT sind ebenso relativ wie absolut. Die SRT geht von einem Absolutheits-Postulat aus: Die Lichtgeschwindigkeit hat für alle Beobachter stets den gleichen Wert. Daraus ergibt sich dann automatisch die Relativität von Raum und Zeit. Die ART dagegen kennt überhaupt keine Relativität.

Mythos 4: Die Relativitätstheorie sagt eine Zunahme der Masse voraus ("relativistische Massenzunahme").

Kann, muss nicht. Die Massenzunahme kann aus der Formel E=mc2 abgeleitet werden, sie wurde aber schon vorher empirisch gefunden und kann auch anders (nicht-relativistisch) gedeutet werden.

Mythos 5: Die Relativitätstheorien wurden tausendfach experimentell bestätigt.

Falsch. Für die Zeit-Dilatation der SRT gibt es zwei höchst zweifelhafte Experimente, deren Daten auch anders interpretiert werden können. Die Längenkontraktion wurde nie nachgewiesen. Dafür gibt es Experimente, die gewisse Zweifel aufkommen lassen (Suarez).

Die Effekte der ART sind so gering, dass sie bisher nicht nachgewiesen wurden. Oder die Daten wurden gefälscht (Arthur Eddington) oder wohlwollend im Sinne der Theorie ausgewählt (Gravitationswellen).

Mythos 6: Ohne Relativitätstheorien wären Teilchenbeschleuniger und das Globale Positioniersystem (GPS) nicht denkbar.

Falsch. In den Beschleunigeranlagen muss die Massenzunahme der Teilchen berücksichtigt werden, aber die gehört nicht unbedingt zur Relativitätstheorie. Die Daten des GPS werden ständig korrigiert, aber nicht wegen der Relativitätstheorien.

Mythos 7: Eventuelle Paradoxa der SRT wurden zufriedenstellend erklärt bzw. beseitigt.

Falsch. Die Widersprüche (nicht: Paradoxa!) der SRT sind immer noch vorhanden und machen die ganze Theorie unbrauchbar. Dazu gehören das Gartenzaun-Paradoxon, das Ehrenfestsche Paradoxon, die Bellschen Raumschiffe, das Zwillings-Paradoxon, usw.

Mythos 8: Es gibt eine "relativistische Quantenphysik" (Dirac)

Falsch. Dirac verwendete ein Konzept des Mathematikers Minkowski, nämlich, dass Raum und Zeit streng symmetrisch zu behandeln sind, und fand dadurch eine komplizierte Formel, in der Raum und Zeit beide nur einmal differenziert werden. Üblicherweise wird in der Quantenphysik nach dem Raum zweimal, nach der Zeit aber nur einmal differenziert (Schrödingergleichung).

Wie alles begann

Der Wissenschaftler studiert die Natur nicht deswegen, weil es ihm nützt; er studiert sie, weil er sich daran erfreut, und er erfreut sich daran, weil sie schön ist. Wäre die Natur nicht schön, wäre sie nicht wert, erforscht zu werden, und das Leben wäre nicht lebenswert. Henri Poincaré

Wie jedes Kind hat auch die Spezielle Relativitätstheorie, im folgenden "SRT" abgekürzt, mindestens zwei Eltern, mehrere Großeltern, und viele andere Vorfahren. In der SRT sind, trotz ihrer einfachen mathematischen Formeln, sehr viele Fakten, Vermutungen, Rätsel und philosophische Ideen der damaligen Zeit zusammengefasst. Im Wesentlichen wurde sie von (mindestens) fünf Problemkreisen gespeist:

1. Wie synchronisiert man Uhren?
2. Wie ändern sich die Maxwell-Gleichungen bei Bewegung?
3. Wie relativ sind Geschwindigkeiten?
4. Warum ändert sich die Lichtgeschwindigkeit nicht?
5. Wie sieht der "Äther" aus?

Für die Wissenschaftsgeschichte, wie sie auch in diesem Buch praktiziert wird, möchte ich noch einmal den frühen Kritiker der Relativitätstheorien, ERNST GEHRCKE, zitieren:

Wir fragen im Folgenden nicht: was ist Relativitätstheorie, sondern: wie hat sie sich entwickelt?

(A) Wie synchronisiert man Uhren?

Eisenbahnen verlangen, sollen sie funktionieren, einen Fahrplan. Dieser wiederum setzt voraus, dass an allen Stationen die gleiche Zeit gemessen und angezeigt wird. Das aber war in Deutschland nicht der Fall. Nicht nur das zivile Eisenbahnwesen litt darunter, dass an den Zwischenbahnhöfen völlig unterschiedliche Zeiten angezeigt wurden. Nein, das deutsche Zeit-Chaos verwies auch auf ein militärisches und mithin existenzielles Problem. Wie kann man den Aufmarsch von Armeen koordinieren, wenn jeder Soldat eine andere Zeit zu Hause oder auf dem Feld angezeigt bekommt? Der greise, hoch angesehene und im Krieg äußerst erfolgreiche General HELMUTH VON MOLTKE (1800-1891) hielt, einen Monat vor seinem Tod, im deutschen Reichstag eine flammende Rede, in welcher er die Abschaffung aller Ortszeiten forderte:

Dass für den inneren Betrieb der Eisenbahnen eine Einheitszeit ganz unentbehrlich ist, ist allgemein anerkannt und wird nicht bestritten. Aber, meine Herren, wir haben in Deutschland fünf verschiedene Einheitszeiten. Wir rechnen in Norddeutschland, einschließlich Sachsen, mit Berliner Zeit, in Bayern mit Münchener, in Württemberg mit Stuttgarter, in Baden mit Karlsruher und in der Rheinpfalz mit Ludwigshafener Zeit. Wir haben also in Deutschland fünf Zonen; und alle die Unzuträglichkeiten und Nachtheile, denen wir befürchten an der französischen und russischen Grenze zu begegnen, die haben wir heute im eigenen Vaterlande. Das ist, möchte ich sagen, eine Ruine, die stehen geblieben ist aus der Zeit der deutschen Zersplitterung, die aber, nachdem wir ein Reich geworden sind, billig wegzuschaffen wäre.

Wie es zur Einheits-Zonenzeit in Europa und in den USA kam, schildert der Wissenschaftsautor PETERGALISON ausführlich in seinem Buch "Einsteins Uhren, Poincarés Karten. Die Arbeit an der Ordnung der Zeit.", aus dem wir auch Moltkes Zitat entnommen haben. Nur so viel dazu: Der dafür zuständige Mann in Frankreich war der herausragende Mathematiker und Physiker HENRI POINCARÉ (1854-1912), Begründer der Chaosforschung, der kombinatorischen Topologie, und vieler anderer mathematischer Gebiete. Poincaré machte sich also Gedanken zur Synchronisation von Uhren. Dabei ist die Synchronisierung mittels einer Zentraluhr nicht weiter schwierig: Sie sendet elektrische Impulse an die Tochter-Uhren. Die müssen nur die Zeitverzögerung infolge der endlichen Übertragungsgeschwindigkeit der Synchronisierungsimpulse berücksichtigen - in Europa kein Problem, weltweit schon, im Globalen Positionierungssystem (GPS) erst recht, denn da kommt es auf Mikro- und Nanosekunden an.

Schwieriger wird die Angelegenheit bei zwei gleichberechtigten Beobachtern, wobei der eine das Signal des anderen empfängt und an diesen eine Bestätigung schickt. Die Methode funktioniert nur, wenn die Lichtgeschwindigkeit in beiden Richtungen die gleiche ist - eine Voraussetzung, die keineswegs erfüllt sein muss und vor allem mit diesem Verfahren nicht überprüft werden kann. Denn schon Poincaré stellte fest:

Die beiden Beobachter haben kein Mittel, um die Ungleichmäßigkeit des Gangs ihrer Uhren zu erkennen.

Und er kommt zu dem Schluss: Uhren zu synchronisieren ist eine Sache der Konvention. Es gibt keine eindeutige Methode, die alle Problemfälle abdeckt. Weil wir uns in diesem Buch mit der Uhrensynchronisierung innerhalb der SRT nicht weiter beschäftigen wollen - die SRT bietet genügend andere Gedankenfallen - zeigen wir hier eine Schwierigkeit im GPS. Die Zeitverzögerung ist leicht zu berechnen nach der Formel v = s/t, also: Geschwindigkeit (v) = Weg (s), geteilt durch die Zeit (t). Also ist t = s/v.

Wenn wir die Entfernung zweier Uhren (s) und die Geschwindigkeit der Signalübertragung (v) kennen, dann können wir die Zeitverzögerung (t) berechnen und von der Eigenzeit abziehen.

Dummerweise ändern sich beim GPS diese Angaben dauernd. Die Entfernung der Satelliten von der Erdoberfläche schwankt, denn ihre Bahn ist (a) kein Kreis, sondern eine Ellipse, und...