Kurzer Ausflug in die spezielle Relativitätstheorie

Der Dänische Astronom Olaf Roemer hatte bereits 1676 aus der Bewegung der Jupitermonde die Lichtgeschwindigkeit mit 230 000 km/s als sehr groß und endlich gemessen. Das war in Übereinstimmung mit den seit 1864 bekannten Maxwellschen Gleichungen, nach denen sich elektromagnetische Wellen und damit auch das Licht nicht unendlich schnell, sondern mit einer konstanten Geschwindigkeit von rund 300 000 km/s ausbreiten.

Wenn aber die Lichtgeschwindigkeit die größte aller möglichen Geschwindigkeiten ist, folgt daraus die Unmöglichkeit der linearen Addition von hohen Geschwindigkeiten. Wenn ein amerikanischer Astronaut in seinem Raumschiff mit 80% der Lichtgeschwindigkeit durchs Weltall fliegt und es kommt ihm ein russischer Kosmonaut mit 70% der Lichtgeschwindigkeit entgegen, so kann die Relativgeschwindigkeit zwischen beiden nicht das 1,5-fache der Lichtgeschwindigkeit, sondern höchstens gleich der Lichtgeschwindigkeit sein.* Einstein verstand, dass das Absolute der Lichtgeschwindigkeit Konsequenzen für unser Verständnis von Raum und Zeit als unveränderliche Größen haben muss und arbeitete auf dieser Basis seine Relativitätstheorie aus. 

*Bewegte Massen haben immer eine geringere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit. Nur Teilchen mit der Ruhemasse null wie Lichtquanten, d.h. elektromagnetische Wellen, bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.

 Wenn sich Bezugssysteme gegeneinander bewegen, so stellt etwa eine Person, die am Bahnsteig einen schnellen ICE vorbeifahren sieht, fest, dass die Uhren im Zug langsamer laufen als die Bahnhofsuhren. Für den Reisenden, der aus dem Fenster des Zuges blickt, laufen die Bahnhofsuhren ebenfalls langsamer als seine eigene, während für beide Personen in ihrem eigenen Bezugssystem (dem Zug bzw. dem Bahnsteig) die Zeit ganz normal abläuft.

Raum und Zeit sind nicht absolut, sondern hängen vom Standpunkt des Beobachters ab. Der von Arnold Sommerfeld eingeführte deutsche Begriff der Standpunktslehre hat sich allerdings gegenüber dem Wort Relativitätstheorie nicht durchgesetzt. Ich brauche nicht zu erwähnen, dass bei alltäglichen Geschwindigkeiten das Phänomen der langsam laufenden Uhren so klein ist, dass man hier von Gleichzeitigkeit und gleichen Zeitabläufen sprechen kann. Einstein sagte zu diesem Problem: In meiner Relativitätstheorie bringe ich wohl an jeder Stelle des Raumes Uhren an, aber in der Wirklichkeit fällt es mir schwer, auch nur an einer Stelle eine aufzustellen.

Newtons Mechanik versagt bei hohen Geschwindigkeiten, denn eine Person in einem Koordinatensystem, welches sich gegenüber einem scheinbar in Ruhe befindlichen System bewegt, beobachtet nicht nur eine Transformation der Zeitkoordinaten, sondern auch der Raumkoordinaten, was sich zusätzlich zur Zeitdilatation in einer Längenkontraktion äußert.

Die langsamer gehenden Uhren in einem bewegten Koordinatensystem führen zu dem bekannten Einsteinschen Zwillingsparadoxon. Während ein Zwilling in einer Rakete mit 90% der Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum reist, bleibt der andere auf der Erde zurück. Wenn der Reisende nach zehn Jahren heimkehrt, ist er gegenüber seinem Bruder nur um fünf Jahre gealtert. 

Einsteins wissenschaftliche Leistung hatte einen Einfluss auf die Physik, der auch bei der Entwicklung der Lehre deutlich wird. Während früher die Physik einzelne Teilbereiche wie etwa Mechanik, Wärmelehre, Elektrodynamik unterschied, zeigte Einstein deren natürliche Verknüpfung auf. So werden in einem modernen Physiklehrbuch mit dem Titel Wellen, Schallwellen, elektromagnetische Strahlung (Lichtwellen, Radiowellen) und die Wellenmechanik der Quantenphysik zusammengefasst. Einstein wies zukünftigen Generationen den Weg zu einem Gesamtverständnis der Physik, doch an einer Gesamtbeschreibung der Physik in einer Weltformel scheiterten sowohl er als auch Werner Heisenberg.