Die letzten Ursachen (eBook)

2. Die Säulen der heutigen Naturerkenntnis

2.1 Relativitätstheorie

Alle Vorgänge verlaufen im Raum und in der Zeit. Wie sie in Raum und Zeit verlaufen, wie die Größen, durch die wir sie beschreiben, nach Ort und Zeit ihre Werte ändern, das haben wir zu untersuchen. Ort und Zeit sind die „unabhängigen Veränderlichen“, alle anderen suchen wir darzustellen als Funktionen von diesen. Wenn Physik als Wissenschaft möglich sein soll, so ist die erste Bedingung, dass wir Raum und Zeit selbst quantitativ erfassen können. Dass dies ausführbar sei, — dass man jeder Strecke einen bestimmten Wert in Metern, jedem Zeitintervall einen bestimmten Wert in Sekunden eindeutig zuschreiben könne, erscheint selbstverständlich. Wir haben lernen müssen, dass dem nicht so ist, und mit dieser Erkenntnis hat unser Raum- und Zeitbegriff sich vor mehr als hundert Jahren grundsätzlich gewandelt. Diese Wandlung soll hier dargelegt werden.

2.1.1 Das Relativitätsprinzip der Mechanik. (Galilei-Newton.)

Eine Kugel rollt auf dem Schiffsdeck. Welches ist ihre Geschwindigkeit? Die gegen das Schiff? Das Schiff bewegt sich ja selbst! Also die gegen die Erde? Aber auch die Erde bewegt sich! Also die gegen die Sonne? — gegen die Fixsterne? — gegen ein x, gegen das die Fixsterne selbst sich bewegen und von dem wir keine Kunde haben? Diese Geschwindigkeit hat keinen Sinn, jede der übrigen hat einen bestimmten Sinn. „Die Geschwindigkeit der Kugel“ ist etwas Bestimmtes, sobald wir festgelegt haben, auf welches System wir sie beziehen wollen. Ist nun ein „Bezugssystem“ und damit eine bestimmte Geschwindigkeit ausgezeichnet? Das ist eine Frage an die Erfahrung. Die Erfahrung antwortet: nicht ein System, sondern eine ganze Gruppe von Systemen.

Einen kreisförmigen Messingbügel setzen wir in Rotation um seinen Durchmesser: er plattet sich ab. Ein System von zwei Holzscheiben, die durch eine vertikale Spiralfeder verbunden sind, lassen wir fallen: Die Feder zieht sich zusammen. Wir wiederholen den letzten Versuch, sorgen aber durch Reibung und ein passendes Gegengewicht dafür, dass sich das System mit merklich gleichförmiger Geschwindigkeit abwärts belegt. Jetzt bleibt die Feder gespannt, wie in der Ruhe. Den beiden ersten Fällen ist gemeinsam, dass die Geschwindigkeit veränderlich war, das eine Mal der Richtung nach, das andere Mal der Größe nach; die Bewegung war „beschleunigt“. Bei dem letzten Versuch hingegen war die Geschwindigkeit konstant, sowohl der Richtung wie der Größe nach; die Bewegung war „gleichförmig“. Das Ergebnis der drei Versuche können wir offenbar so aussprechen: der elastische Körper hat die gleiche Form, ob er nun ruht gegenüber der Erde, oder ob er ruht gegenüber einem Bezugssystem, das selbst eine gleichförmige Bewegung gegen die Erde besitzt; er hat aber eine andere Form, wenn er ruht gegenüber einem Bezugssystem, das selbst sich in beschleunigter Bewegung gegen die Erde befindet. In anderer Fassung: Ein Beobachter, der mit dem Versuchskörper zusammen in eine Hülle eingeschlossen ist, wird von der gleichförmigen Bewegung nichts wahrnehmen, wohl aber von der beschleunigten. Das Gleiche gilt von den Wahrnehmungen, die er an sich selbst macht: Er spürt die Bewegung im Karussell, er spürt das Anfahren und das Anhalten des Fahrstuhls, aber er bemerkt nichts von der gleichförmigen Bewegung des Fahrstuhls. Es gilt ganz allgemein: Denken Sie einen Beobachter, der in seiner irgendwie begrenzten Welt beliebig viele mechanische Erfahrungen sammelt. Er soll einschlafen, seine „Welt“, die bisher ruhte gegen eine gewisse weitere Umgebung, soll in Bewegung gesetzt werden, und er soll aufwachen, nachdem die Bewegung gleichförmig geworden ist: Seine neuen Erfahrungen werden den alten gleichen, er wird von dem, was ihm im Schlaf geschehen ist, nie etwas wissen können. Ist er aber in beschleunigte Bewegung, etwa in Rotation, versetzt worden, so merkt er, dass eine Veränderung vorgegangen ist. Geben wir ihm den Blick frei auf die Außenwelt, so wird er seine Erfahrungen dahin zusammenfassen, dass die Physik seiner eigenen Welt die gleiche ist für alle Bewegungszustände, die sich nur durch eine konstante geradlinige, im übrigen willkürliche Geschwindigkeit gegen die Außenwelt voneinander unterscheiden, dass sie aber verschieden ausfällt bei verschieden beschleunigten Bewegungen, insbesondere bei verschiedenen Rotationsgeschwindigkeiten gegen die Außenwelt. Auch hier wird er nicht entscheiden können, ob seine Welt sich dreht gegen die ruhende Außenwelt, oder ob die Außenwelt in entgegengesetztem Sinn um die seine kreist. Diese Frage hat keine Antwort, weil sie keinen Sinn hat. Aber seine Beobachtungen werden sich verschieden aussprechen, je nachdem er die eine oder die andere Welt, als das Ruhende betrachtet, und es kann sehr wohl sein, dass eine bestimmte Vorstellung ausgezeichnet ist durch die Einfachheit, welche sie dem zusammenfassenden Ausdruck der Erfahrungen, den physikalischen „Gesetzen“ verleiht. In diesem Sinn können wir „absolute“ Drehbewegung definieren. Diesen Sinn hat es, wenn wir den Fixsternhimmel als ruhend und die Erde als gleichförmig um ihre Achse rotierend betrachten: Nur dieser Ansatz gibt uns eine praktisch durchführbare Mechanik. Absolute gleichförmige Translationsbewegung aber können wir in keiner Weise definieren. Zwei sich gleichförmig gegeneinander bewegende Bezugssysteme sind mechanisch vollkommen äquivalent: es sind Aussagen von vollkommen gleichem Inhalt, wenn wir einmal A als ruhend, B als bewegt ansprechen, ein andermal B als ruhend, A als bewegt. Im Besonderen also: Mechanisch ausgezeichnet ist nicht das Fixsternsystem für sich allein, sondern mit ihm die ganze Gruppe aller der Systeme, welche gegen die Fixsterne eine gleichförmige Bewegung besitzen, die ganze Fixsterngruppe, wie wir sie nennen wollen. Hiermit ist das „Relativitätsprinzip“ der Mechanik ausgesprochen, das auf Galilei und Newton zurückgeht.

2.1.2 Das Relativitätsprinzip der Elektrodynamik (Lorentz-Einstein)

Von allen Teilen der Physik ist zuerst die Mechanik ausgebaut worden; es sind Bewegungsvorgänge, an denen zuerst umfassende Gesetzmäßigkeiten erkannt wurden. Die Prinzipien aber, die sich hier ergeben hatten, erwiesen sich als zuverlässige Wegweiser Weit über das Gebiet der Mechanik hinaus. So hat man sich gewöhnt, mechanische Begriffe als Grundbegriffe, mechanische Gesetze als allgemeine Gesetze der Physik zu betrachten. Da ist es nun auffällig, dass sich das Relativitätsprinzip der Mechanik bei der Strahlung nicht bewährt, - bei der Strahlung und somit in der Elektrodynamik; denn dass die Ausbreitung der Strahlung ein elektrischer Vorgang ist, dürfen wir seit Heinrich Hertz als sicher begründete Erfahrung ansehen.

Der entscheidende Versuch, den Fizeau zuerst angestellt hat, ist dieser: In einer mit gleichförmiger Geschwindigkeit strömenden Flüssigkeit möge sich Licht fortpflanzen in der Richtung der Strömung. Nach dem Relativitätsprinzip müsste ein im Strom treibender Beobachter die gleiche Fortpflanzungsgeschwindigkeit wahrnehmen, wie wenn die Flüssigkeit ruhte. Der außenstehende Beobachter müsste also die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichts um die volle Geschwindigkeit der Flüssigkeit vermehrt finden. (Man denke an die Kugel, die auf dem Schiffsdeck rollt. Das aber ist nicht der Fall: Es kommt nur ein bestimmter Bruchteil der Strömungsgeschwindigkeit hinzu. Dieser Bruchteil hängt vom Brechungsexponenten der Flüssigkeit ab. Den Extremfall, mit dem wir uns im Folgenden allein eingehender beschäftigen wollen, haben wir, wenn es sich um ein Gas handelt, das sich vom leeren Raum optisch kaum unterscheidet: Da kommt gar nichts hinzu: Der außenstehende Beobachter stellt fest, dass sich für ihn das Licht genau so fortp flanzt, wie wenn das Gas ruhte. Oder genauer, im engeren Anschluss an das Experiment: Es pflanzt sich für ihn genau so schnell fort in der Richtung der Gasströmung wie in der entgegengesetzten. Er muss also schließen, dass für einen gedachten Beobachter, der die Bewegung des Gases teilt, die Geschwindigkeit des Lichts sich um den vollen Betrag seiner eigenen Geschwindigkeit vermindert, wenn beide gleichgerichtet sind, und um den gleichen Betrag vermehrt, wenn sie einander entgegengerichtet sind. (Fig. 2.1.)

In dem Fall dieses hier nur gedachten mitbewegten Beobachters im bewegten Luftmeer sind wir nun aber andauernd. Die Erde bewegt sich im Jahreslauf um die Sonne mit einer Geschwindigkeit, die wir in jedem Moment als gleichförmig betrachten dürfen, und die ziemlich genau ein Zehntausendstel der Lichtgeschwindigkeit beträgt. Also müssten wir an optischen (allgemein an elektrischen) Vorgängen, die sich an der Erdoberfläche abspielen, die Bewegung der Erde erkennen können.

Denken Sie (Fig. 2.2) einen...