Einsteins größtes Kapital war seine Vorstellungskraft, die von kindlicher Fantasie geprägt war, unbeschränkt von den Mustern realistischer Reife.
Konstante Lichtgeschwindigkeit
Möglicherweise war die erste Inspiration für den Wissenschaftler der Zug, der zum Bahnhof in Zürich fuhr, wo Albert Einstein damals lebte und arbeitete. Als wir uns langsam vom Bahnhof entfernen und aus dem Fenster schauen, sehen wir, wie der Bahnsteig abfährt. Ein Erwachsener wird sofort verstehen, dass sich kein Bahnsteig bewegt, sondern ein Zug. Allerdings fragte sich Einstein: Woher wissen wir das?
Die Antwort ist die Erde. Das ist es, was wir als stationär betrachten, und deshalb schreiben wir Objekten in Bezug darauf Geschwindigkeit zu. Aber was wäre, wenn es die Erde nicht gäbe? Woher wissen wir, ob sich unser Raumschiff bewegt oder ob sich die Raumstation von uns entfernt? Das erste, was einem in den Sinn kommt, sind die Gesetze der Physik. Vielleicht gibt es Regeln, die die Geschwindigkeit berücksichtigen, und so lernen wir aus dem Ablauf der Phänomene, ob wir stehen oder uns bewegen?
Die besten Kandidaten sind magnetische und elektrische Felder. In der Schule haben wir gelernt, dass es wirklich eine Kraft ist – Elektromagnetismus. Die Arbeit des niederländischen Physikers Hendrik Lorenz zeigt, dass sich Licht, eigentlich ein elektromagnetisches Wechselfeld, immer gleich schnell bewegen muss, unabhängig von unserer Bewegung.
Wie zu überprüfen? Da wir wissen, dass sich die Erde (ziemlich schnell) um die Sonne und um ihre Achse bewegt, ergibt sich, wenn die Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung abhängt, ein Lichtstrahl, der sich von West nach Ost bewegt – und daher in Richtung der Erdbewegung – sollte den gleichen Weg gehen, anders als der zweite, von Norden nach Süden. Ein solches Experiment wurde von den amerikanischen Wissenschaftlern Albert A. Michelson und Edward Morley durchgeführt. Und es stellte sich heraus, dass die Lichtgeschwindigkeit wirklich nicht von der Richtung seiner Bewegung abhängt.
Spezielle Relativitätstheorie
Bewegung existiert nur im Kontext zweier Beobachter, die ihre Systeme vergleichen, sie ist immer gegenseitig, und es hat keinen Sinn, Systeme in Ruhe zu definieren. Daher müssen alle korrekten physikalischen Theorien unabhängig von Geschwindigkeit und Ort und auch von der Zeit sein. Wäre es anders, wäre es möglich, zwischen mobilen und stationären Systemen zu unterscheiden.
Wie kommt man mit dieser konstanten Lichtgeschwindigkeit zurecht? Dies bedeutet schließlich, dass, wenn das Weltraum-„Leuchtfeuer“ ein Lichtsignal sendet und wir eine Rakete treffen, die mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit fliegt, und dieses Signal verfolgen, es sich genauso schnell von uns und dem Leuchtturm entfernen würde . Das ist paradox, aber keine kindliche Vorstellungskraft.
Wenn dem so ist, vergrößert sich entweder der Abstand zwischen uns und dem Strahl, oder die Zeit verlangsamt sich für uns. Der Grad der Raumdehnung oder Zeitdilatation ist proportional zur Relativgeschwindigkeit. Im Falle des Strebens nach Licht wird sich der Raum unendlich ausdehnen und die Zeit wird anhalten.
Wir erreichen einen Punkt, an dem uns unsere Vorstellungskraft möglicherweise nicht mehr ausreicht. Was bedeutet es, dass die Zeit stehen bleibt? Werden wir in einer Position einfrieren? Nun, nein, wir werden normal in unserem Bezugsrahmen leben – aber wir werden uns wie Götter fühlen, die außerhalb der Zeit des Rests des Universums existieren. Aber da Bewegung relativ und gegenseitig ist, können wir dasselbe über die Welt außerhalb von uns sagen. Was ist also Gleichzeitigkeit? Wie bringt man das Ursache-Wirkungs-Prinzip damit in Einklang?
Alle Implikationen der Relativitätstheorie sind noch nicht verstanden. Einstein nannte zwei der wichtigsten. Erstens ist es unmöglich, die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Die zur Erhöhung der Geschwindigkeit erforderliche Energie steigt umgekehrt mit der Differenz zwischen ihr und der Lichtgeschwindigkeit. Ein Objekt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, hat unendlich viel Energie. Aber da Bewegung relativ ist, was ist diese Energie? Wie wir uns aus der Schule erinnern, ist die Bewegungsenergie proportional zu Geschwindigkeit und Masse. Also sagte Einstein, dass es massiv sein sollte. Daraus leitete er seine berühmteste Gleichung ab. E=mc^2 – Masse ist eine Form von Energie in Ruhe.
Die zweite Schlussfolgerung aus der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ist die bereits in der Antike von Euklid beschriebene Notwendigkeit, die Zeit als vierte Dimension in den uns bekannten dreidimensionalen Raum zu integrieren. Nur die so geschaffene Raumzeit, erstmals definiert vom deutschen Mathematiker Hermann Minkowski, wird die Physik richtig beschreiben. Ein Punkt in der Raumzeit ist ein bestimmter Ort im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt. Das Segment der Raumzeit, das zwei ihrer Punkte verbindet, ist die Distanz zwischen zwei Ereignissen.
Allgemeine Relativitätstheorie
Masse ist nicht nur ein Maß für die Kraft, die aufgewendet werden muss, um ein Objekt in Bewegung zu versetzen, und damit für dessen Trägheit. Masse ist auch die Quelle der Schwerkraft. Diese Definitionen beziehen sich auf völlig unterschiedliche Phänomene. Können sie dieselbe physikalische Größe enthalten? Solche „Zwischenfälle“ kommen in der Natur nicht vor.
Das entsprechende Experiment führte der ungarische Geophysiker Lorand Eötvös mit einem Torsionspendel durch. Es stellte sich heraus, dass die träge und die schwere Masse absolut gleich sind. Für Einstein war dies der Beweis, dass Gravitation und Trägheit wie elektrische und magnetische Felder demselben Muster folgen müssen. Unter dem Einfluss einer Kraft ändern wir den Wert oder die Richtung unserer Geschwindigkeit, was in der Physik als Beschleunigung bezeichnet wird. Beschleunigung ist eine Geschwindigkeitsänderung, und Geschwindigkeit ist immer relativ. Da die Bewegung selbst relativ ist, muss auch die Beschleunigung relativ sein.
Inspiriert vom Beispiel der Erde, der gekrümmten Oberfläche, auf der wir leben und messen, wusste Einstein, dass eine flache Oberfläche nicht die einzige Möglichkeit ist, die die Geometrie zulässt. Wenn die vierdimensionale Raumzeit keine Ebene wäre, dann müssten die Bahnen von Objekten, die frei von äußeren Störungen sind und sich daher nach den klassischen Gesetzen der Physik in geraden Linien bewegen, gekrümmt sein.
Bei manchen Systemen ließe sich dies durch die Schwerkraft erklären, bei anderen – durch Trägheit und im Modell – einfach durch die Krümmung des Raumes. Zwei Züge, die auf benachbarten parallelen Gleisen oder auf demselben Gleis, aber in einem konstanten Abstand fahren, können kollidieren.
Es war notwendig, die Begriffe Parallelität und Direktheit sowie den Zeitbegriff zu überdenken. Da der Raum gekrümmt ist, muss auch das Licht in solchen Krümmungen gekrümmt sein. Da die Krümmung Effekte wie die Schwerkraft hervorrufen muss, muss jede Masse raumzeitliche Inhomogenitäten erzeugen und damit beispielsweise den Zeitablauf beeinflussen.
Viele dieser Schlussfolgerungen wurden experimentell bestätigt, wie zum Beispiel der ungleichmäßige Zeitfluss am nächsten und am weitesten entfernten Punkt der Merkurbahn, der zu langsamen Veränderungen führt, oder die Fähigkeit, Sterne zu sehen, die hinter anderen massiven kosmischen Körpern verborgen sind. Viele andere warten noch auf die Bestätigung.
