Das hier ist die Rezension eines
Kapitels von “Der Stoff aus dem der Kosmos
ist” von Brian Greene. Links zu den Rezensionen der anderen Kapitel kann man hier finden.
Jedes Buch, das sich mit moderner Physik beschäftigt, muss auch über Relativitätstheorie und Quantentheorie reden. Das sind die beiden Pfeiler, auf denen die Physik der letzten 100 Jahre aufgebaut ist und ohne die kommt man nicht aus. Liest man aber öfter mal die einschlägigen Sachbücher, dann kann sich da schnell ein Ermüdungseffekt einstellen. Irgendwann hat man keine Lust mehr, die x-te Einführung in die Relativitätstheorie zu lesen und zum umpfzigsten Mal das Doppelspaltexperiment erklärt zu bekommen…
Natürlich kommt auch Greene nicht umhin, die Grundlagen von Relativität und Quantenphysik zu erklären. Aber bei ihm sind auch diese Kapitel spannend und lesenswert – selbst wenn man schon oft genug darüber gelesen hat. Greene vermeidet die üblichen Erklärungsansätzen und schafft es, das Thema frisch und neu darzustellen.
Den Anfang von Kapitel 3 bilden ein paar Überlegungen zum physikalischen Konzept der Felder. Die kennt jeder, der schon mal mit einem Magneten gespielt hat und merkt, wie sich hier eine Kraft scheinbar unsichtbar ausbreitet.
Nichts ist schneller als das Licht!
Der erste, der die elektrische und magnetische Kraft detailliert beschreiben konnte, war James Clerk Maxwell. Er beschrieb im 19. Jahrhundert, wie sich elektromagentische Wellen – zu denen auch das Licht gehört – ausbreiten. Er hat auch berechnet, wie schnell sie das tun: mit etwa 300000 Kilometern pro Sekunde. Im letzten Kapitel haben wir aber anhand von Newtons Eimer gelernt, dass es eigentlich keinen Sinn macht, von einer Bewegung zu sprechen wenn wir keinen Bezugspunkt angeben. Also: in Bezug auf was bewegt sich das Licht mit 300000 Kilometern pro Sekunde?
Maxwell konnte die Frage nicht beantworten – seine Gleichungen gaben darüber keinen Aufschluß. Die Physiker einigten sich dann darauf, dass dies wohl eine Geschwindigkeit relativ zu einem Medium sein muss. So wie sich Meereswellen im Wasser ausbreiten und Schallwellen in der Luft müsse sich auch das Licht in einem Medium – dem Lichtäther – ausbreitenund die 300000 Kilometer wären dann die Geschwindigkeit relativ zum Äther.
Wenn das tatsächlich so ist, dann muss dieser Äther auch nachweisbar sein. Das berühmte Experiment von Michelson und Morley sollte 1881 diesen Äther nachweisen. Sie wollten zeigen, dass sich die Geschwindigkeit des Lichts ändert, je nachdem wie sich die Erde durch diesen Äther bewegt. Gemessen wurde aber nichts. Egal was man anstellte – die Geschwindkeit des Lichts blieb immer gleich.
Michelson bestimmt die Lichtgeschwindigkeit (aus “Experimental Determination of the Velocity of Light“)
Ein paar Jahre später, 1905, hatte Albert Einstein seinen berühmten Geistesblitz. Wenn Maxwells Gleichungen keinen Äther beschreiben und kein Äther zu messen ist, dann existiert auch kein Äther. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300000 Kilometer pro Sekunde relativ zu allem! Egal was. Es macht keinen Unterschied ob ich ruhig am Boden stehe oder mich mit enormer Geschwindigkeit auf eine Lichtquelle zu bewege: das Licht wird sich immer mit 300000 Kilometer pro Sekunde relativ zu mir bewegen.
Aus dieser Forderung ergeben sich weitreichende Konsequenzen, die Albert Einstein in seinem berühmten Aufsatz “Zur Elektrodynamik bewegter Körper” dargelegt hat. Wenn das Licht immer die gleiche Geschwindigkeit hat, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der ich mich bewege, dann folgt daraus sofort, dass es keine absolute Zeit geben kann! Geschwindigkeit ist ja nichts anderes als Entfernung pro Zeit – und wenn zwei Beobachter, einer Ruhe der andere in Bewegung, beide berichten, dass das Licht sich konstant mit 300000 km/s bewegt, dann müssen sie Zeit (und Raum) unterschiedlich wahrnehmen!
Das ist eine faszinierende Idee – auch für Greene:
“Die Relativität von Raum und Zeit ist eine verblüffende Schlussfolgerung. Ich kenne sie seit mehr als 25 Jahren, trotzdem versetzt sie mich immer wieder in Verwunderung wenn ich mich still hinsetze und über sie nachdenke. Aus der abgedroschenen Feststellung, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, schließen wir, dass Raum und Zeit im Auge des Betrachters liegen.”
Greene findet auch ein schönes Bild, um die Sache mit Raum und Zeit und der Lichtgeschwindigkeit zu erklären. Ein Objekt – ein Mensch, ein Auto, … – bewegt sich ja nicht nur durch den Raum, sondern auch durch die Zeit. Ein parkendes Auto mag zwar bewegungslos rumstehen – aber nur dann, wenn wir “Bewegung” rein räumlich auffassen. Einstein hat aber gezeigt, dass Raum und Zeit nicht isoliert zu betrachten sind. Jede Bewegung ist immer eine Bewegung durch die Raumzeit und so bewegt sich auch das stehende Auto – eben durch die Zeit. Fährt es dann los, dann wird ein Teil der Bewegung durch die Zeit in Bewegung durch den Raum umgelenkt. Simpel gesagt: Da nun auch ein Teil der Bewegung durch den Raum stattfindet, verlangsamt sich die Bewegung durch Zeit. Die Zeit für bewegte Objekte verstreicht also langsamer!
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