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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Spezielle Relativitätstheorie. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen 1905 erschien in der deutschen Wissenschaftszeitschrift Annalen der Physiker ein kurzer Artikel von 30 gedruckten Seiten in einem Sechsundzwanzigjährigen Albert Einstein „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, in dem die spezielle Relativitätstheorie nahezu vollständig dargelegt wurde, was den jungen Experten des Patentamts bald berühmt machte. Im selben Jahr erschien in derselben Zeitschrift ergänzend zum ersten der Artikel „Hängt die Trägheit eines Körpers von der darin enthaltenen Energie ab?“. Die spezielle Relativitätstheorie entstand nicht aus dem Nichts, sie entstand aus der Lösung des elektrodynamischen Problems bewegter Körper, an dem viele Physiker seit Mitte des XNUMX. Jahrhunderts gearbeitet haben. Sie versuchten, die Existenz eines Äthermediums zu entdecken, in dem sich elektromagnetische Wellen ausbreiten. Es wurde angenommen, dass der Äther alle Körper durchdringt, aber an ihrer Bewegung nicht teilnimmt. Verschiedene Modelle des Lichtäthers wurden gebaut, Hypothesen über seine Eigenschaften aufgestellt. Es schien, dass der bewegungslose Äther als dieser absolut ruhende Bezugsrahmen dienen könnte, relativ zu dem Newton betrachtet die "wahren" Bewegungen von Körpern. Nach Newtons Ansicht gibt es im Universum „normale Uhren“, die von jedem Punkt aus den Verlauf der „absoluten Zeit“ zählen. Dazu kommt die „absolute Bewegung“, also „die Bewegung eines Körpers von einem absoluten Ort zu einem anderen absoluten Ort“. Zweihundert Jahre lang galten Newtons Prinzipien als richtig und unerschütterlich. Kein Physiker hat sie in Frage gestellt. Ernst Mach war der erste, der Newtons Prinzipien offen kritisierte. Er begann seine wissenschaftliche Laufbahn am Institut für Experimentalphysik und hatte ein eigenes Labor in Österreich. Mach führte Experimente mit Schallwellen durch und untersuchte das Phänomen der Trägheit. Mach versuchte, die Begriffe "absoluter Raum", "absolute Bewegung", "absolute Zeit" zu widerlegen. Einstein war mit der Arbeit von Mach vertraut, und diese Bekanntschaft spielte eine wichtige Rolle in seiner Arbeit an der Relativitätstheorie. Auch in der Experimentalphysik wurden Newtonsche Dogmen in Frage gestellt. Die Erde bewegt sich auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne. Das Sonnensystem wiederum fliegt im Weltraum. Wenn also der Lichtäther im „absoluten Raum“ ruht und Himmelskörper ihn durchqueren, dann müsste ihre Bewegung gegenüber dem Äther einen spürbaren „ätherischen Wind“ verursachen, der mit empfindlichen optischen Instrumenten erfasst werden könnte. Ein Experiment zum Nachweis des "ätherischen Windes" wurde 1881 von dem Amerikaner Albert Michelson auf der Grundlage einer 12 Jahre zuvor geäußerten Idee ins Leben gerufen. Maxwell. Michelson argumentierte wie folgt: Wenn sich der Globus durch einen absolut unbeweglichen Äther bewegt, wird ein Lichtstrahl, der von der Erdoberfläche ausgeht, unter bestimmten Bedingungen vom "ätherischen Wind" zurückgetragen, der in Richtung der Bewegung des Äthers weht Erde. Der „ätherische Wind“ soll nur durch die Verschiebung der Erde gegenüber dem Äther entstehen. Der erste Versuchsaufbau wurde von Michelson in Berlin gebaut und getestet, alle Instrumente waren auf einer Steinplatte montiert und konnten gemeinsam gedreht werden. Dann wurden die Experimente nach Amerika verlegt und unter Beteiligung von Michelsons engem Freund und Mitarbeiter Edward Morley durchgeführt. Wissenschaftler haben ein Spiegelinterferometer geschaffen, das selbst den schwächsten „Ätherwind“ registrieren könnte. Die Ergebnisse aller Experimente, die sowohl 1881 als auch 1887 durchgeführt wurden, leugneten die Existenz eines "ätherischen Windes". Michelsons Experiment kann bis heute als eines der berühmtesten und herausragendsten in der Geschichte der Physik angesehen werden. Laut Einstein selbst war er von großer Bedeutung für die Geburt der Relativitätstheorie. Aber nicht alle Physiker waren sich einig, dass der Äther nicht existiert und dass Newtons Prinzipien nicht nur in Frage gestellt, sondern auch für immer verworfen werden sollten. Niederländischer Physiker Henrik Lorenz 1895 versuchte er, den Äther zu „retten“. Er schlug vor, dass sich schnell bewegende Körper eine Kontraktion erfahren. Noch vor Lorentz machte der irische Physiker George Fitzgerald 1891 einen ähnlichen Vorschlag, von dem Lorentz nichts wusste. Lorentz und Fitzgerald schrieben, dass alle Objekte „unter dem Druck“ des Äthers abgeflacht, verkürzt werden. Die Platte, auf der sich alle Geräte befinden, und die Geräte selbst werden gekürzt. Sowohl der Globus als auch die Menschen auf seiner Oberfläche werden verkürzt, und das Ausmaß all dieser Verkürzungen und Abplattungen entspricht einem solchen Ausmaß, dass es die Wirkung des „ätherischen Windes“ ausgleicht. Wissenschaftler führten auch eine Korrektur für die Ausbreitungszeit des "ätherischen Windes" ein. Diese Ideen waren nur Spekulationen mit wenig bis gar keiner Unterstützung. Im Herbst 1904 versuchte auch Henri Poincaré, den absolut bewegungslosen Äther zu „retten“. Er versuchte, die Berechnungen von Lorentz in Form einer mehr oder weniger kohärenten Theorie zu formulieren, aber diese "Theorie" war nur eine Formsache. Die größten Köpfe waren traurig, es schien, als gäbe es keinen Ausweg aus dieser Situation. Aber den Ausweg fand Albert Einstein, er brachte die Physik aus der Sackgasse und lenkte sie in eine neue Richtung. Schon während seiner Schulzeit in Aarau führte Einstein oft ein Gedankenexperiment durch: Was ein Mensch mit Lichtgeschwindigkeit hinter einer Lichtwelle sehen kann. Diese Frage stand am Anfang der Überlegungen zur späteren Relativitätstheorie. Über den Beginn seiner Überlegungen schrieb Einstein: „Es war notwendig, eine klare Vorstellung davon zu bekommen, was die räumlichen Koordinaten und die Zeit eines Ereignisses in der Physik bedeuten.“ Einstein begann mit der Erforschung des Konzepts der Gleichzeitigkeit. Die Newtonsche Mechanik behauptet also, dass die Ausbreitung von Wechselwirkungen (dh die Übertragung von Signalen, Informationen) im Prinzip mit unendlicher Geschwindigkeit möglich ist. Und nach Einsteins Theorie ist die Lichtgeschwindigkeit, also die maximale Geschwindigkeit der Signalübertragung, immer noch endlich und hat zudem für alle Beobachter den gleichen Wert von dreihunderttausend Kilometern pro Sekunde. Daher ist der Begriff der "absoluten Gleichzeitigkeit" ohne jede physikalische Bedeutung und kann nicht angewendet werden. Einstein kommt zu dem Schluss, dass die Gleichzeitigkeit räumlich getrennter Ereignisse relativ ist. Der Grund für die Relativität der Gleichzeitigkeit liegt in der Endlichkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Signalen. Das können wir uns zwar nicht klar vorstellen, da die Lichtgeschwindigkeit viel größer ist als die Geschwindigkeiten, mit denen wir uns fortbewegen. Wenn "absolute Gleichzeitigkeit" unmöglich ist, kann es keine "absolute Zeit" geben, die in allen Bezugssystemen gleich ist. Die Vorstellung von der "absoluten Zeit", die ein für alle Mal in einem bestimmten Tempo fließt, völlig unabhängig von der Materie und ihrer Bewegung, erweist sich als falsch. Jeder Bezugsrahmen hat seine eigene „Ortszeit“. Einsteins Zeitlehre war ein völlig neuer Schritt in der Wissenschaft. „Absolute Zeit“ wurde verworfen, und da Zeit und Bewegung eng miteinander verbunden sind, wurde es notwendig, das Newtonsche Konzept der „absoluten Bewegung“ zu eliminieren. Das hat Einstein getan. Das erste und wichtigste Postulat von Einsteins Theorie – das Relativitätsprinzip – besagt, dass in allen Bezugssystemen, die sich gleichförmig und geradlinig zueinander bewegen, die gleichen Naturgesetze wirken. Damit wird das Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik auf alle Vorgänge in der Natur, einschließlich elektromagnetischer, extrapoliert. Wenn ein Übergang von einem Bezugssystem zu einem anderen erforderlich ist, müssen Lorentz-Transformationen verwendet werden. Einstein benannte diese Gleichungen als Zeichen des tiefen Respekts für die Arbeit seines Vorgängers. Einstein ersetzte in seiner Relativitätstheorie den Lichtäther durch ein elektromagnetisches Feld. Viele Wissenschaftler haben auf eine solche Wendung sehr schmerzlich reagiert, sie konnten sich nicht damit abfinden, dass es den Äther nicht gibt. Auch der große Niederländer Lorentz glaubte bis zu seinem Tod an die Existenz des Äthers. Einsteins zweites Postulat besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum für alle Inertialsysteme gleich ist. Sie hängt weder von der Geschwindigkeit der Quelle noch von der Geschwindigkeit des Empfängers des Lichtsignals ab. Die Lichtgeschwindigkeit ist die Obergrenze für alle in der Natur ablaufenden Prozesse. Die Lichtgeschwindigkeit ist die Grenzgeschwindigkeit, keiner der Prozesse in der Natur kann eine höhere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit haben. Aus der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit folgen zwei berühmte Paradoxien oder Konsequenzen: die Relativität von Entfernungen und die Relativität von Zeitintervallen. Die Relativität von Entfernungen liegt darin begründet, dass die Entfernung kein absoluter Wert ist, sondern von der Geschwindigkeit des Körpers relativ zu einem bestimmten Bezugssystem abhängt. Die Abmessungen schnell bewegter Körper sind gegenüber der Länge ruhender Körper reduziert. Wenn sich die Geschwindigkeit des Körpers der Lichtgeschwindigkeit nähert, nähern sich seine Abmessungen Null! Lorentz drückte auch etwas Ähnliches aus, als er versuchte, den Äther in Michelsons Experiment zu „retten“. Die Relativität der Zeitintervalle besteht darin, dass die Uhren in einem sich schnell bewegenden Bezugssystem im Vergleich zu den Uhren in einem ruhenden Bezugssystem relativ zum ersten verlangsamt werden. Die oben beschriebenen Effekte werden von Physikern als relativistisch bezeichnet, d.h. sie werden bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beobachtet. Was passiert, wenn wir tatsächlich versuchen, einen materiellen Körper auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen? Die Relativitätstheorie behauptet die Äquivalenz von Masse und Energie nach der heute berühmten Formel, die sich wie folgt in Worte fassen lässt: „Energie ist gleich Masse mal Quadrat der Lichtgeschwindigkeit“. Zunächst wird eine Zunahme der Energie des Körpers von einer subtilen Zunahme der Masse und folglich der Trägheit des Körpers begleitet. Es wird also etwas schwieriger, ihn weiter zu beschleunigen. Je näher die Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit kommt, desto eindrucksvoller wird dieser Effekt, der es unmöglich macht, die Lichtgeschwindigkeit zu überwinden. Einsteins Formel erhielt Ende der dreißiger Jahre in den Reaktionen der Uranspaltung eine glänzende Bestätigung. Gleichzeitig verschwand ein Tausendstel der Gesamtmasse, um sich in Form von Atomenergie wieder vollständig zu offenbaren. Sogar bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen wird das Einstein-Verhältnis beobachtet, aber die Materiemengen, die während der Reaktion erscheinen oder verschwinden, betragen weniger als ein Zehnmilliardstel der Gesamtmasse, sodass es selbst mit sehr genauen Waagen unmöglich ist, sie nachzuweisen. Es ist wichtig zu betonen, dass die spezielle Relativitätstheorie eine gleichförmige Bewegung betrachtet, d. h. eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, bei der sich die Bewegungsrichtung nicht ändert. Erfolgt die Bewegung mit einer Beschleunigung durch äußere Kräfte, wie z. B. Gravitationsanziehung, dann kann die spezielle Relativitätstheorie nicht mehr angewendet werden. Was Einstein entdeckte und in die Physik einführte, war wirklich revolutionär, sodass nur wenige Physiker sofort erkannten, dass die spezielle Relativitätstheorie eine brillante Entdeckung ist. Unter denen, die es verstanden haben, war Max Planke, der schrieb: "Einsteins Zeitbegriff übertrifft an Kühnheit alles, was bis zu diesem Zeitpunkt in der spekulativen Naturwissenschaft und selbst in der philosophischen Erkenntnistheorie geschaffen worden ist." 1908 schuf der deutsche Mathematiker Hermann Minkowski, der Einstein am Zürcher Polytechnikum lehrte, einen mathematischen Apparat für die spezielle Relativitätstheorie. In seiner berühmten Rede auf dem Kongress Deutscher Naturforscher und Ärzte am 21. September 1908 sagte Minkowski: „Die Begriffe von Raum und Zeit, die ich vor Ihnen zu entwickeln gedenke, sind auf dem Boden der Experimentalphysik gewachsen, darin liegt ihre Stärke. Sie werden zu radikalen Konsequenzen führen: Der Raum selbst und die Zeit selbst verschwinden von nun an vollständig im Reich der Schatten, und nur eine Art Vereinigung dieser beiden Begriffe behält eine unabhängige Existenz. Seitdem ist die „Minkowski-Welt“ zu einem festen Bestandteil der speziellen Relativitätstheorie geworden. Einstein sagte einmal zu James Frank: „Warum genau habe ich die Relativitätstheorie geschaffen?“ Wenn ich mir diese Frage stelle, scheint mir der Grund folgender zu sein über dieses Problem habe er sich nach eigenen Angaben schon in der Kindheit Gedanken gemacht, ich habe mich intellektuell so langsam entwickelt, dass ich als Erwachsener Raum und Zeit mit meinen Gedanken beschäftigte, natürlich konnte ich tiefer in das Problem eindringen als ein normal veranlagtes Kind. " Einstein hatte nicht das „erwachsene“ Vertrauen, dass die globalen Probleme der Welt bereits gelöst seien. Dieses Gefühl wurde nicht durch die Anhäufung spezieller Kenntnisse und Interessen unterdrückt. Er dachte über den Begriff der Bewegung nach und kehrte zu der Idee zurück, die der Kindheit der Menschheit innewohnt – zu der antiken Idee der Relativität, die später durch den Begriff des Äthers als absoluten Bezugskörper verdunkelt wurde. Als das Konzept des Äthers verworfen wurde, kam Einstein zu dem Schluss, dass Bewegung nicht absolut sein kann. Autor: Samin D. K.
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