Gedanken zum Vortrag “Von Copernicus bis Einstein”, gehalten von Max von Laue auf dem Treffen der Nobelpreisträger im Jahre 1956

Seit 1951 treffen sich jedes Jahr für eine ganze Woche eine große Anzahl von  Nobelpreisträgern aus Medizin, Physik, Chemie und Ökonomie in Lindau am Bodensee. Vor jungen Wissenschaftlern, die aus aller Welt über ein Netz von Universitäten und Forschungsinstituten ausgewählt werden, berichten und diskutieren sie über Erlebnisse und Ergebnisse aus ihrem Forschungsgebiet. Dieses Jahr findet dieses Treffen vom 17. Juni bis zum 2. Juli statt. Im Blog von Beatrice Lugger wird darüber ausführlich berichtet.
Die Vorträge werden inzwischen on-line übertragen, aber auch die Vorträge früherer Jahre sind nun auf der Web-Site der ‘Stiftung Lindauer Nobelpreisträgertreffen’ am Bodensee als Video zu hören, ein unerhörter Schatz unserer Kultur, der auf diese Weise allen Interessierten zugänglich gemacht wird. Als Beispiel greifen wir einen Vortrag heraus, den Max von Laue im Jahre 1956 gehalten hat.

Max von Laue hat im Jahre 1914 den Nobelpreis "für seine Entdeckung der Beugung von Röntgenstrahlen beim Durchgang durch Kristalle" erhalten. Nach seiner Habilitation 1906 hatte er sich aber zunächst mit der Relativitätstheorie beschäftigt; dieses Thema greift er auch in seinem Lindauer Vortrag von 1956 mit dem Titel "Von Copernicus bis Einstein" auf.  Dieser ist beeindruckend, sowohl von der Klarheit der Gedankenführung wie von der Form: In drei Abschnitten legt er die Entwicklung unserer Vorstellungen von Raum und Zeit dar. Sein Leitthema ist dabei der Begriff des "Inertialsystems" und er schildert, welche Rolle dieser Begriff jeweils in der klassischen Physik, in der speziellen Relativitätstheorie und in der Allgemeinen Relativitätstheorie spielt, und zeigt, wie unser Verständnis von Raum und Zeit mit diesem Begriff im Verlaufe der Zeit gewachsen und schließlich mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu einem vorläufigen Abschluss gekommen ist.  

Will man einen physikalischen Prozess wie die Bewegung eines Planeten in Raum und Zeit beschreiben, benötigt man ein Verfahren, um den Ort des Körpers zu jeder Zeit angeben zu können. Seit Descartes weiß man, wie man da vorzugehen hat: Man wählt einen  Bezugspunkt aus, also einen Punkt, in Bezug auf den man die Bewegung messen will. Um diesen kann man ein Koordinatensystem mit Koordinatenachsen für jede der drei Raumrichtungen errichten. Wenn man dann noch eine Länge als Einheit definiert, erhält man ein vollständiges Bezugssystem, in dem man jeden Ort des Körpers durch seine Koordinaten charakterisieren kann.
Im ersten Abschnitt seines Vortrages geht  Max von Laue auf den Kampf um das Kopernikanische Weltbild ein, denn hierbei taucht schon die Frage auf, die in den späteren Relativitätstheorien stets eine grundsätzliche Rolle spielte: Wie ändern sich die physikalisch beobachtbaren  Phänomene, wenn man das Bezugssystem wechselt und wie haben das die physikalischen Gesetze wider zu spiegeln?  Dass die Wahl des Bezugssystems  einen großen Einfluss auf die Interpretation der physikalischen Geschehens  haben kann, sah man ja gerade daran, wie unterschiedlich die Bahnen der Planeten aussahen – je nachdem, ob man die Sonne oder die Erde als Bezugspunkt wählte.

Galilei war es, der die ersten wichtigen Erkenntnisse sammelte, die Licht auf dieses Problem warfen.  Er erkannte, dass es bei dem Vergleich zweier Bezugssysteme darauf ankommt, wie sich die Bezugspunkte relativ zu einander bewegen; und unter den vielen Möglichkeiten solcher Bewegungen entdeckte er eine ganz besondere, die geradlinig-gleichförmige Bewegung.  Aus dem Umstand, dass physikalische Prozesse in gleicher Form ablaufen, ob man sie nun auf dem Lande beobachtet oder auf einem Schiff, wenn sich dieses mit konstanter Geschwindigkeit in konstanter Richtung bewegt, schloss er, dass genau bei einer solchen geradlinig-gleichförmigen Bewegung eines Bezugspunktes relativ zu einem anderen die physikalischen Prozesse gleich erscheinen  und somit auch durch die gleichen Gesetze beschrieben werden müssen. Diese physikalische Äquivalenz aller geradlinig-gleichförmig gegeneinander bewegten Bezugssysteme wurde später zu einem Prinzip, zum Galileischen Relativitätsprinzip erhoben.

Bei seinen Überlegungen ging Galilei implizit von einem ganz bestimmten Bezugssystem aus, von einem, das später "Inertialsystem" genannt wurde.  In einem solchen sollte ein "sich selbst überlassener" Körper in Ruhe bleiben, wenn er sich in Ruhe befindet.  Was auch immer ein "sich selbst überlassener" Körper sein sollte, dahinter steckte die Erfahrung, dass eben Körper im Zustand der Ruhe verharren können und die Vorstellung, dass eine Änderung dieses Zustandes, das Eintreten einer Bewegung also, nur auf Grund eines äußeren Einflusses geschehen kann. Ein besonderes Inertialsystem sollte der absolute Raum sein, den man sich damals gewissermaßen als Behälter für die ganze Welt vorstellte und der mit einer feinstofflichen Substanz, dem Äther, angefüllt sein sollte. Aber auch alle Bezugssysteme, die sich geradlinig-gleichförmig zu dem absoluten Raum bewegten, mussten nach dem Galileischen Relativitätsprinzip Inertialsysteme sein. Newton zeigte zwei Generationen später, dass man gerade in solchen Inertialsystemen Prinzipien formulieren kann, aufgrund derer man die Bewegung materieller Körper durch mathematische Gleichungen beschreiben und vorhersagen kann.

Mitunter wird von Leuten, die den Widerstand der Inquisition gegen die Gedanken Galileis beschönigen wollen, behauptet, der ganze Streit sei einer "um des Kaisers Bart" gewesen, es wäre ja nur um die Wahl des Bezugspunktes gegangen und da sei man ja frei. Galilei habe sich nur stockbeinig und arrogant verhalten. Die beiden Bezugssysteme "Sonne als Bezugspunkt" bzw. "Erde als Bezugspunkt" sind aber physikalisch nicht äquivalent. Nur einer dieser Körper konnte, wenn es um Planetenbahnen ging und nicht lediglich um Bewegungen auf der Erde, in guter Näherung als Bezugspunkt eines Inertialsystems dienen, und alles sprach für die Sonne. In der Tat hat sich das dann durch die spektakulären Berechnungen der Planetenbahnen durch Newton endgültig bestätigt. Es ging also darum, welches Bezugssystem als Inertialsystem gelten kann.

Max von Laue beschreibt sehr klar, wie der Begriff des absoluten Raums als ideale Realisierung eines Inertialsystems 200 Jahre lang die Physik beherrscht hat, und führt im zweiten Abschnitt seines Vortrags aus, wie dieses Konzept  durch die spezielle Relativitätstheorie überwunden wurde.  Ende des 19. Jahrhundert stellte man nämlich durch viele Experimente fest, dass die Lichtgeschwindigkeit, von jedem Bezugssystem aus gemessen, den gleichen Wert hatte. Das war mit dem Galileischen Relativitätsprinzip unvereinbar und respektierte auch nicht die Sonderstellung eines absoluten Raumes.  Die Einsteinsche Theorie, die dann deutlich machte, dass das Galileische  Relativitätsprinzip nur eine Näherung ist und nur für Geschwindigkeiten gilt, die klein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit sind, machte nun die Vorstellung von der Existenz eines  absoluten Raumes und des Äthers überflüssig, führte dabei aber zu Eigenschaften von Raum und Zeit, die der Erfahrung bisher verborgen geblieben waren, da sie eben erst bei Geschwindigkeiten auftreten, die nicht mehr klein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit sind:  Abstände in  Raum und Zeit hängen davon ab, von welchem Bezugssystem aus man diese beobachtet. Zwei Ereignisse z.B., die man in einem Bezugssystem als gleichzeitig beobachtet, werden so in einem relativ dazu bewegten Bezugssystem als nicht gleichzeitig gesehen. Die Frage, was denn nun wirklich der Fall ist, ist falsch gestellt. Gleichzeitigkeit ist kein objektives Element der Wirklichkeit. Nur weil wir im Alltag keine Erfahrung mit solch großen Geschwindigkeit haben, spüren wir nie die Relativität der Gleichzeitigkeit.

Im dritten Abschnitt wendet sich Max von Laue der Allgemeinen Relativitätstheorie zu und diskutiert, wo nun letztlich ideale Inertialsysteme realisiert sind. Zunächst erinnert er daran, dass in der Gravitationstheorie der Begriff einer Masse eine Rolle spielt, aber auch in der Theorie der Bewegung. Beide Massen haben aber zunächst nichts mit einander zu tun; man nennt so die erste "schwere Masse", die zweite "träge Masse" und man hätte nichts dabei gefunden, wenn die träge Masse eines Körpers stets verschieden von seiner schweren Masse wäre. Nun sind aber diese Massen immer gleich groß, ein Umstand, den man zunächst einfach nur registrieren konnte. Hier setzte nun Einstein ein, die Gleichheit von träger und schwerer Masse inspirierte ihn dazu, die Theorie der Bewegung so zu verallgemeinern, dass die Gravitationstheorie ein Teil von ihr wurde.  Raum und Zeit, durch die spezielle Relativitätstheorie schon zur Raumzeit zusammen geschmolzen, mussten dabei aber eine ganz neue, unerwartete Eigenschaft bekommen: Sie mussten gekrümmt sein, wobei es gerade die Massen – die Verursacher der Bewegung wie der Trägheit – sind, die das Maß der Krümmung bestimmen. In zwei Dimensionen kann man sich leicht einen gekrümmtem Raum vorstellen: die Oberfläche einer Kugel; wir bewegen uns auf der Erde somit auf einem zwei-dimensionalen gekrümmten Raum. (Merkwürdig, dass Max von Laue diese Analogie in seinem Vortrag erst so spät einführt.) Die Phänomene der Natur beobachten wir nach der Allgemeinen Relativitätstheorie in einer gekrümmten vier-dimensionalen Raumzeit. Als ein Inertialsystem, also als ein Bezugssystem, in dem ein "sich selbst überlassener"  Körper in Ruhe bleibt, wenn er sich in Ruhe befindet, kann jetzt nur noch die nächste Umgebung eines frei fallenden Beobachters gelten, so wie man auf der Erde in seiner unmittelbaren Umgebung die Erdoberfläche als flach ansehen darf.

Ich vermute, selbst diese Grundgedanken kann man als Außenstehender nicht voll verstehen und würdigen. Jeder, der sich ein wenig in die Relativitätstheorien eingearbeitet hat, weiß, wie sehr man sich in diese abstrakten Gedanken einüben muss und wie sehr man dazu stets auch den Kompass der Mathematik benötigt. So versucht Max von Laue m.E. etwas zu lange etwas Unmögliches bei seinen Ausführungen über diese abstrakten, mathematischen Ideen; die Experimente und Beobachtungen, mit denen die Allgemeine Relativitätstheorie geprüft und Bestätigung erfahren hat, kommen auf der anderen Seite zum Schluss etwas zu kurz.

An vielen Punkten des Vortrages spürt  man den damaligen (1956) Stand der Physik und der philosophischen Reflexion über die Begriffe der Physik. Max von Laue macht einen Unterschied zwischen den Begriffen Raum und Zeit einerseits und der Messung dieser Größen  andererseits.  Er glaubt Kant darin noch folgen zu können, dass Raum und Zeit "eingeprägte Formen des menschlichen Geistes", Aussagen über Raum und Zeit also synthetische Urteile a-priori seien. Die Tatsache, dass die Relativitätstheorien ganz neue Urteile über Raum und Zeit liefern, und dass damit gezeigt wird, dass das so genannte  a-priori Wissen auch nur ein vorläufiges Wissen ist, bezieht er so nur auf die Messung von Raum und Zeit.  Er scheint zwischen dem "Wesen" einer Sache und dem Umgang mit einer Sache zu unterscheiden.
Heute sieht man das anders: Das, was man "eingeprägte Formen des menschlichen Geistes"  oder a-priori-Wissen nennt, sind die Vorstellungen, die die Menschen im Laufe der Evolution entwickelt haben.  Hans Mohr formuliert das in seinem Buch "Natur und Moral" (Wissenschaftliche Buchgesellschaft, 1987, S.22) so: "Wenn es eine genetische Evolution der Organismen gegeben hat (was innerhalb der Wissenschaft niemand bezweifelt), dann müssen auch das Denken des Menschen, sein Erkenntnisvermögen, seine kognitiven Strukturen Teil dieser Evolution gewesen sein, und  dann war es nicht nur möglich, sondern notwendig, im strengen Sinn unausweichlich, dass sich unser Denken an die Strukturen der realen Welt angepasst hat. Die Selektion hat für uns die Natur gemäßen Denkmuster ausgelesen. Es muss bei Tier und Mensch zu einer zumindest partiellen Entsprechung von kognitiver Struktur und Realstruktur gekommen sein. Die Muster unseres Denkens wurden an die Muster der Natur angepasst."

Mit Geschwindigkeiten, die nicht mehr klein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit sind, hatten wir es aber nie im Verlauf der Evolution zu tun, wir wurden nie geprüft, wie wir mit den  Phänomenen, die dabei vorkommen, umgehen können. Wenn wir nun Theorien für solche Fälle entwickeln, können wir nicht davon ausgehen, dass unsere "eingeprägte Formen des menschlichen Geistes" noch taugen. Noch deutlicher wird das mit der Quantenmechanik. Wir treffen auf "Unvorstellbares".
Andererseits: Die "Muster unseres Denkens, angepasst an die Muster der Natur", enthalten auch mathematische Muster, die Struktur der Welt scheint sich ganz besonders darin wider zu spiegeln. Die Fähigkeit, diese zu kultivieren und fort zu entwickeln, führt uns nun über die "eingeprägten Formen des menschlichen Geistes"  hinaus.

Der Vortrag ist eine beeindruckende und anregende Begegnung mit einer Persönlichkeit, die die große Zeit der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik miterlebt und mitgestaltet hat. Im gleichen Jahr 1879 wie Einstein geboren, erhielt Max von Laue mit 35 Jahren, noch vor seinem Lehrer Max Planck und vor Albert Einstein, den Nobelpreis. Als er diesen Vortrag hielt, war er 77 Jahre alt. Drei Jahre später war er noch einmal Gast bei dem Lindauer Nobelpreisträgertreffen. Im Jahr darauf starb er an den Folgen eines Autounfalls.

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Josef Honerkamp war mehr als 30 Jahre als Professor für Theoretische Physik tätig, zunächst an der Universität Bonn, dann viele Jahre an der Universität Freiburg. Er hat er auf den Gebieten Quantenfeldtheorie, Statistische Mechanik und Stochastische Dynamische Systeme gearbeitet und ist Autor mehrerer Lehrbücher sowie des Sachbuchs: "Die Entdeckung des Unvorstellbaren". Nach seiner Emeritierung im Jahre 2006 möchte er sich noch mehr dem interdisziplinären Gespräch widmen. Er interessiert sich insbesondere für das jeweilige Selbstverständnis einer Wissenschaft, für ihre Methoden sowie für ihre grundsätzlichen Ausgangspunkte und Fragestellungen und kann berichten, zu welchen Ansichten ein Physiker angesichts der Entwicklung seines Faches gelangt. In seiner "Freizeit" versucht er, im klassischen Stil zu komponieren und seine Kompositionen auch mit Hilfe moderner Software zu produzieren. Insgesamt versteht er sich heute als Physiker und "wirklich freier Schriftsteller und Tonsetzer".

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Hier bleibt unerwähnt und unerkannt, dass Copernicus keineswegs “die Sonne” anstelle der Erde als ruhendes Bezugssystem beschreibt – sondern den absolut ruhenden Raum. Denn die Sonne bewegt sich bei Copernicus ebenfalls mit den anderen Planeten; sie bewegen sich allle um den ruhenden Schwerpunkt des gesamten Systems, der ein bloßer geometrischer Punkt im leeren Raum ist. Damit
    ist der leere Raum als existent bewiesen, und die relativistische Behauptung, man könne einfach das “Bezugssystem Erde” durch das “Bezugssystem Sonne” ersetzen, ist widerlegt. Diese Behauptung ist aber das Fundament der “Relativitätstheorien”, die somit falsifiziert sind. Das “bevorrechtigte” Bezugssystem der Bewegung existiert. Die Behauptung von der “Gleichberechtigung” und von der Materialität aller Bezugssystems ist falsch.

  2. Josef Honerkamp schrieb (16. Juni 2010):
    > Max von Laue [sagte] in seinem Lindauer Vortrag von 1956:
    > > […] Gleichzeitigkeit ist kein objektives Element der Wirklichkeit.

    Dem ist entschieden zu widersprechen;
    nämlich insbesondere anhand von Einsteins Definition der Messung von Gleichzeitigkeit (1917), die (in einer Formulierung, die dem modernen Sprachgebrauch angepasst ist) besagt:

    … dass eine bestimmte, beobachtbare Anzeige eines bestimmten identifizierbaren Beteiligten A (z.B. As Anzeige des Einschlagens eines Blitzes) und eine bestimmte, beobachtbare Anzeige eines bestimmten anderen identifizierbaren Beteiligten B (z.B. Bs Anzeige des Aufglühens aufgrund der plötzlichen Entladung einer elektrostatischen Potentialdifferenz)
    einander gleichzeitig waren falls
    sich ein weiterer Beteiligter (M) als “Mitte zwischen” A und B identifizieren lässt,
    und dieser die betreffende Anzeige As und die betreffende Anzeige Bs koinzident wahrnahm.

    Dass sich dieser Einsteinsche Begriff der Gleichzeitigkeit auf bestimmte Anzeigen einzelner Beteiligter bezieht,
    und sich bekanntlich nicht auf ganze Ereignisse anwenden lässt (die im Allgemeinen jeweils zahlreiche Beteiligte haben, die nicht gegenüber einander ruhen, sondern sich lediglich im Passieren begegneten),
    tut seiner Nachvollziehbarkeit und der einvernehmlichen Wirklichkeit der Ergebnisse seiner Anwendungen keinen Abbruch.

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