Relativität – der kleine Unterschied

BLOG: Quantenwelt

Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Nach langer Sendepause – ich bin privat umgezogen und in vielen Messzeiten stark eingebunden –  möchte ich mich mit einer kleinen Notiz zu einem meiner Lieblingsthemen zur Wort melden; zur Relativitätstheorie.

Was mich bei Erklärungen der Relativitätstheorie immer wieder verwundert ist, dass wir Experten immer wieder euch interessierten Laien mit den revolutionären Gedanken der Relativität zu verblüffen versuchen. Zeit sei, so sagen wir, gar nicht absolut. Sie sei nicht unabhängig vom Ort und bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit und in starken Schwerkraftfeldern passiere ungeheuerliches.

Das alles stimmt ja auch. Aber es trifft nicht den Kern der Relativitätstheorie. Das Geheimnis ihres Erfolges liegt bei der Relativitätstheorie nicht in ungeheuerlichen Annahmen. Nicht die Idee, die Lichtgeschwindigkeit könne sich im Gegensatz zu anderen Geschwindigkeiten als Naturkonstante erweisen, hat die Physikergemeinde überzeugt, sondern die konsequente Weiterführung eines etwa dreihundert Jahre alten Prinzips von Galileo Galilei.

Nur wenige einfache Annahmen und ihre mathematische Ausführung führen uns auf alle Rätsel der Relativitätstheorie. Solche Annahmen könnte man zum Beispiel so formulieren:
a) Naturvorgänge laufen regelhaft ab.
b) Die Regeln sind überall und für jeden Beobachter die selben.
c) Die Regeln sind auch für gegeneinander gleichförmig bewegte Beobachter die selben.
d) Die Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder sind solche Beobachter-unabhängigen Größen.
e) In ihren Auswirkungen ähnliche Effekte wie Trägheit und Schwere sollten auch ähnliche Ursachen haben.

Aus solchen wenig überraschenden Annahmen können sich dann verblüffende logische Folgen ergeben. Zum Beispiel die Beobachtung einer so genannten Zeitdilatation von der Andreas Müller schon im November letzten Jahres berichtet hat und die jetzt wieder neue Diskussionen hervorgerufen hat. Der Weg von einfachen Annahmen zu den verblüffenden Folgerungen ist sicher nicht immer leicht zu beschreiten. Ich habe es mal in meiner Webpräsenz Relativitätsprinzip.info versucht, die Relativität von dieser Seite aufzuzäumen. Vielleicht hilft das bei der Frage, “Was ist Zeit” weiter. Zeit ist, wie Einstein treffend formulierte, was die Uhr misst. Und das nicht seit 1905, sondern mindestens seit den ersten Sonnenuhren.

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

22 Kommentare

  1. “Vielleicht hilft das bei der Frage, “Was ist Zeit” weiter. Zeit ist, wie Einstein treffend formulierte, was die Uhr misst.”

    Wenn die Herkunft des Zitates stimmt, so hat Einstein nur einen Journalisten abwimmeln wollen. Denn so einfach ist es wohl nicht. Der Zeiger einer Uhr bewegt sich für die Dauer einer Zeit von a nach b. Die Sonne bewegt sich für die Dauer einer Zeit von a nach b. Wenn dem so ist, so ist Zeit nicht relativ, sondern willkürlich oder aber eine reine Anschauungsform unter der die Bewegung eines Gegenstandes beobachtet wird. Man könnte also sagen, daß der Beobachter die Zeit in die Bewegung legt, die er aus der Luft gegriffen hat.

  2. Uhrenbauer

    Lieber Dietmar Hilsebein,

    Abwimmeln kann man mit dieser Antwort sicher nur Menschen, die sich nicht weiter mit der tieferen Bedeutung des einfachen Satzes auseinandersetzen wollen.

    Machen wir es doch nicht komplizierter als es ist: Uhrenbauer haben, wenn sie ihre Geräte entwickeln, eine klare Vorstellung dessen, was das Gerät leisten soll. Es soll Zeit messen, also mit einem Standard vergleichen. Und offenbar leisten die nach dieser Vorstellung gebauten Uhren, was ihre Entwickler im Sinn hatten.

    Mit Hilfe einer Uhr schaffe ich es zur rechten Zeit am Bus zu sein. Mit Hilfe einer Uhr konnten die Seefahrer zuverlässig den Breitengrad bestimmen. Uhren messen offenbar Zeit.

  3. @ Joachim

    “Mit Hilfe einer Uhr schaffe ich es zur rechten Zeit am Bus zu sein.”

    Stimmt schon. Trotzdem ist die Uhr eine komische Erfindung. Wenn ich mein Metronom einschalte, dann schiebe ich das Gewicht einfach nach oben und schon habe ich mehr “Zeit” für die Sechzehntel.

  4. Imaginär

    Das Quadrat der Zeit geht mit negativem Vorzeichen in die Metrik ein, weil die Zeit nach der Lorentz-Invarianz einer imaginären Raumdimension entspricht.

    Die Dreihundertmillionstelsekunde ist also ein imaginären Meter (im).

    1 s / 300 000 000 = 1 im

    1 s = 300 000 000 im

    Das Quadrat der Dreihundertmillionstelsekunde ist daher minus ein Quadratmeter.

    ( 1 s / 300 000 000 )^2 = -1 m^2

    1 s^2 = -90 000 000 000 000 000 m^2

    Das ergibt dann für die Beschleunigung:

    1 m / s^2 = 1 m / -90 000 000 000 000 000 m^2

    1 m / s^2 = -1 / 90 000 000 000 000 000 m

  5. @Dietmar Hilsebein

    “Trotzdem ist die Uhr eine komische Erfindung. Wenn ich mein Metronom einschalte, dann schiebe ich das Gewicht einfach nach oben und schon habe ich mehr “Zeit” für die Sechzehntel.”

    Das aber ist keine Besonderheit der Zeit. Ein britisches Pint Bier kann ich auch länger genießen als das kleinere amerikanische Pint. Ich brauche also nur von Amerika nach England gehen und schon habe ich mehr Bier für ein Pint. Ist Volumen also auch eine komische Erfindung?

  6. Breitengrad oder Längengrad?

    @Joachim: “Mit Hilfe einer Uhr konnten die Seefahrer zuverlässig den Breitengrad bestimmen.” — Die (genau gehende) Uhr brauchten die Seefahrer zur Bestimmung des Längengrads.

  7. @ Joachim

    “Das aber ist keine Besonderheit der Zeit.”

    Das Besondere an der Zeit ist, daß sie willkürlich ist. Würden alle Uhren nach dem Mond gehen und die Stunde statt in 4/4 in 3/4 eingeteilt sein – sähe dann die Welt anders aus? Das Schmunzeln darf hier natürlich nicht vergessen werden. Vielleicht komme ich auf den Irrsinn nur, weil ich keine Kontrolle über meine Sterblichkeit habe. Ich kann morgen sterben oder in dreißig Jahren. Meine LebensZEIT ist willkürlich festgelegt.

  8. @ Dietmar Hilsebein

    > Wenn ich mein Metronom einschalte, dann schiebe ich das Gewicht einfach nach oben und schon habe ich mehr “Zeit” für die Sechzehntel.

    Wenn ich den Satz richtig verstehe, geht er an der eigentlichen Sache vorbei. Wenn ich mein Meterbandmaß ausdehne, wird dann alles damit Gemessene kleiner? Wenn ich die Feder in meiner Waage durch eine schwächere ersetze, wird dann alles Gewogene schwerer? Solche Überlegungen haben mit der Frage nach dem Wesen von Zeit, Raum und Masse wenig zu tun, sondern mit ihren Maßeinheiten Sekunden, Metern und Kilogramm.

  9. @ Joachim

    Deine wenigen Annahmen sind zwar geeignet, die Rätsel der Relativitätstheorie aufzuzeigen, werden aber von einem kritischen Laien nicht ohne weiteres akzeptiert. „Warum“, so könnte er fragen, „sind die Regeln nicht auch für gegeneinander beschleunigte Beobachter dieselben?“ Verstehst du,lieber Joachim, diese Annahmen sind zwar das Fundament unseres derzeitigen physikalischen Weltbildes, das aber der „Laie“ nicht unbedingt verinnerlicht hat.
    Will man Wissenschaft kommunizieren, sollte man ein altes Prinzip der Rhetorik nutzen: Führe deinen Zuhörer in Widersprüche zwischen seinem Vorwissen und deinen Neuigkeiten. Mache deine Botschaft logisch, nachvollziehbar oder glaubhaft für ihn, und dein Gegenüber wird beginnen zu denken (gib ihm Zeit) und später vielleicht seine Ansicht ändern (gibt ihm noch mehr Zeit).

    Ich meine, dass der Schlüssel zur Erklärung der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) nach wie vor der Begriff „Bewegung“ ist, also die Ortsveränderung im Raum mit der Zeit. Nimmt man an, dass die Geschwindigkeit (also das Maß der Bewegung) von Mutter Natur absolut „gedeckelt“ ist (also nicht beliebig groß werden und einen endlichen Wert niemals übersteigen kann), gerät man schnell in einen fruchtbaren Dialog, den man leicht in Richtung SRT lenken kann. Dabei kann man lange auf das Wort „Licht“ verzichten (nach meiner Erfahrung lenkt es zunächst nur ab).
    Hat der Gesprächspartner die Bedingung einer generellen, maximalen Geschwindigkeit erst einmal hingenommen, kann man anschaulich vieles daraus ableiten. Z. B., dass nichts gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten sein kann, was der Erfahrung entspricht, mit einer unendlichen Geschwindigkeit aber ginge. Oder, dass ein mit maximaler Geschwindigkeit reisendes Objekt prinzipiell nicht eingeholt oder gar überholt werden kann, was deutsche Autofahrer schwer glauben mögen.

    Ich will die Sache nicht ins Lächerliche ziehen, sondern nur zeigen, dass man mit der Kernaussage „Es gibt eine größte Geschwindigkeit“, ganz gleich wie groß die ist, mit einfachen Beispielen für jedes Zielpublikum sehr viel über die Beschaffenheit von Raum und Zeit ableiten kann. Man sollte das so weit treiben, bis dem Zuhörer klar ist, dass Raum und Zeit über die Geschwindigkeit ins direkte Verhältnis gesetzt sind (Strecke pro Zeit) und dass eine absolute Obergrenze der Geschwindigkeit dieses Verhältnis grundlegend bestimmt. Man kann in Gedankenexperimenten die maximale Geschwindigkeit erst einmal in sinnlich wahrnehmbaren Größen ansetzen, etwa mit 100 km/h. Wenn man dann gedanklich einen Zug mit 95 km/h fahren lässt, in dem ein Jugendlicher mit 10 km/h in Richtung Lokomotive zum Speisewagen rennt, beginnt man Beispiel um Beispiel Einstein zu verstehen.

    Man muss das so lange und vielfältig treiben, bis der Gesprächspartner eine neue (zunächst fiktive) Weltsicht entwickelt. Man selbst muss die Kernaussagen der SRT allerdings im Kopf haben, will man das Gespräch zielgerichtet führen.

    Erst dann sollte man die drei sehr viel schwierigeren Fragen angehen, nämlich:
    1.Wie groß ist diese maximale Geschwindigkeit tatsächlich (unvorstellbar groß?), und welche Auswirkungen hat sie auf unsere Lebenswirklichkeit?
    2. Weshalb spielt das Licht dabei eine Sonderrolle oder tut es das vielleicht gar nicht?
    3. Jetzt wird’s wirklich schwierig, denn ohne tieferes Verständnis von wissenschaftlichen Methoden ist das kaum zu beantworten: Weshalb gibt es diese obere Grenze und wie kann man wissen, dass sie nicht einfach eine Annahme ist, sondern Realität? Wenn nichts hilft, muss man das mit der empirischen Keule erledigen, die da heißt: „Das ist das Ergebnis aller einschlägigen Experimente“.

  10. @ Werner Große

    Ich gebe ja zu, daß ich mich noch nicht zwischen Kant und Einstein entschieden habe. Sind Raum und Zeit Gegenstände der Materie oder Anschauungsformen? Das Pendel des Metronoms ist ja auch wieder nur ein Zeiger, den ich beobachte. Ich komme einfach nicht aus mir heraus. Ich kann Zeit immer nur mit mir denken.
    Und ja, sie haben ja recht. Ich habe den Blog etwas entführt. Das Zitat, um das es Joachim ging, bezieht sich auf die Relation zweier Uhren in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit.

  11. @Werner Grosse

    “Führe deinen Zuhörer in Widersprüche zwischen seinem Vorwissen und deinen Neuigkeiten.”

    Genau darauf will ich hinaus. Und die Neuigkeit liegt bei Einsteins Relativitätstheorie eben nicht in einer Neudefinition der Zeit. Einstein verwendet in seiner Veröffentlichung “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, mit der der 1905 die spezielle Relativitätstheorie begründete, keine neue Definition von Raum und Zeit. Er verwendet diese Begriffe so, wie es damals schon lange üblich war und heute noch immer üblich ist.

    Alle Fragen, die man heute über das Wesen der Zeit stellen kann und darf, sind gleichermaßen für den Zeitbegriff vor und nach Einstein relevant. Darauf will ich mit meinen kurzen Beitrag hinaus.

    Die fünf von mir genannten Annahmen sind
    beinahe unverändert für das physikalische Weltbild vor und nach 1905 gültig und sinnvoll. Sicher muss man sie weiter ausführen und plausibel machen. Gerade das Relativitätsprinzip von Galileo (Annahme c) leuchtet nicht unmittelbar ein und muss näher begründet werden und auch die Frage nach beschleunigter Bewegung, die du ansprichst, ist relevant. Aber das kann man alles tun. (Nur nicht in einem kurzen Blogbeitrag zwischen zwei Nachtschichten.)

    Dein Vorschlag, mit der Grenzgeschwindigkeit zu beginnen, halte ich für einen recht unfruchtbaren Weg. Erstens versagt schon die angedeutete Begründung: Eine Deckelung der Geschwindigkeit ist logisch gar nicht nötig. Schon Newtons F=ma erlaubt es nicht, einen Körper in endlicher Zeit auf unendliche Geschwindigkeiten zu bringen, denn dazu wäre unendliche Kraft notwendig.

    Zudem folgt aus der Existenz einer maximalen Geschwindigkeit noch nicht die Relativitätstheorie. Dazu wären zusätzliche Annahmen notwendig, wie zum Beispiel, dass diese Maximalgeschwindigkeit eine Invariante sein soll oder dass allgemein das Relativitätsprinzip zu gelten hat. Aber wenn ich diese Annahmen mache, dann folgt daraus die maximale Geschwindigkeit von selbst. Man muss sie nicht postulieren. Das erkannt zu haben, ist Einsteins Verdienst.

  12. @ Dietmar Hilsebein

    Wir können gerne darüber philosophieren, ob die Zeit ein Fakt ist oder ein Konstrukt. Die Relativitätstheorie bringt uns diese Erörterung nicht näher, aber das haben Sie ja schon selbst so ausgedrückt. Also warten wir auf einen zeit-philosophischen Beitrag von irgendwem (und werfen das Stöckchen Richtung BRAINlogs, die sich daran die Zähne ausbeißen mögen), und dann bloggen wir dort munter weiter. Hier aber muss ich Joachim weiter antworten auf sein heldenhaftes Bemühen, physikalische Laien für Einstein zu gewinnen.

  13. >Eine Deckelung der Geschwindigkeit ist logisch gar nicht nötig. Schon Newtons F=ma erlaubt es nicht, einen Körper in endlicher Zeit auf unendliche Geschwindigkeiten zu bringen, denn dazu wäre unendliche Kraft notwendig.<

    Leider reicht hier Newton meiner Ansicht nach nicht, trotz deiner Einschränkung “in endlicher Zeit”. Wenn F lange wirkt, ganz gleich wie stark, wächst die Geschwindigkeit über jedes Maß. Nenne mir eine beliebige (endliche) Geschwindigkeit, eine Masse und eine Kraft und ich sage dir, wie (endlich) lange die beschleunigende Kraft wirken muss, um die Geschwindigkeit zu übertreffen.
    Nehmen wir irdische Verhältnisse und als Kraft F = 1 Newton, als Masse m = 1 kg, dann erhalten wir eine Beschleunigung a =1 m/s^2. Multiplizieren wir a mit – sagen wir – 10^12 Sekunden, dann erhalten wir eine Geschwindigkeit von 10^12 m/s, umgerechnet 10^9 km/s. Das ist eine ziemlich große Geschwindigkeit gemessen an der Deckelung von rund 3*10^5 km/s wie wir sie vorfinden. Andererseits sind 10^12 Sekunden im kosmischen Rahmen weit von der Unendlichkeit entfernt.

    Also ist die Deckelung der Geschwindigkeit in dieser Größenordnung sehr wohl gestaltend für diese Welt. Wir brauchen beim Zuhörer den endgültigen Verlust am Glauben, dass sich Geschwindigkeiten darüber hinaus aufaddieren lassen (von wegen: ich und meine Laterne haben 3 km/h Fußgängergeschwindigkeit plus die Lichtgeschwindigkeit ergibt Überlichtgeschwindigkeit). Andererseits müssen wir ihm zugestehen, dass Newtons Addition der Geschwindigkeiten korrekt ist, wenn die Geschwindigkeiten (relativ) klein sind. Dies ist, so meine ich, der Widerspruch mit dem wir didaktisch arbeiten können, um dieses seltsame Raum-Zeit-Ungetüm zu verklaren.

  14. @Werner

    Du hast mich falsch verstanden. Ich habe nicht angezweifelt, dass die tatsächliche Grenzgeschwindigkeit von einer guten Milliarde Stundenkilometern experimentelle Auswirkungen hat. Natürlich wird irgendwann der Unterschied zwischen Newtonscher und relativitischer Mechanik relevant.

    Was ich bezweifelt habe ist, dass man mit rationalistischen Argumenten die Notwendigkeit einer Grenzgeschwindigkeit motivieren kann.

    Und selbst wenn man es könnte, würde nicht die Relativitätstheorie dabei herauskommen, sondern eine Newtonsche Mechanik mit künstlichem Geschwindigkeitsdeckel. Eine Grenze, ab der die Galileosche Relativität nicht mehr gilt. Klingt das logisch.

    Nein, Ausgangspunkt der Relativitätstheorie ist eben die grenzenlose Anwendbarkeit des Relativitätsprinzips. Man kann keine Geschwindigkeit erreichen, von der aus man nicht beliebig lange weiter beschleunigen könnte.

    Die Grenzgeschwindigkeit ist keine Voraussetzung, die ist Folge der Relativität.

  15. Seh ich genau so

    Ich find auch die Relativitätstheorie ist falsch benannt. Es ist nicht die Zeit und der Raum, die absolut sind, sondern die physikalischen Effekte, die wir messen.

    Eine Lichtwelle ist eine Lichtwelle, egal wie und wo ich mich dazu bewege oder auch nicht. Die Maxwell-Gleichungen sind immer gültig.

  16. Relativitätstheorie beschäftigt sich gewissermassen mit dem Gewebe der Welt. Sie beschäftigt sich mit den Beziehungen zwischen Ereignissen, nicht mit den Ereignissen selbst.
    Die meisten anderen Gebiete der Physik beschäftigen sich mit Objekten und letztlich muss man diese Objekte akzeptieren wie sie sind genau so wie man einen Elephanten, der durch die Stadt trottet, nicht einfach wegdenken kann.
    Um den Objekten ihre unverschämte Individualität zu nehmen könnte man sie vielleicht als Manifestationen eines Objektgewebes auffassen und die Vielheit wie im Hinduismus als Scheinmanifestation des unveränderlichen, verharrenden Seins auffassen.

    Auch den Zeitpfeil kann man nicht einfach wegdenken. Man könnte aber versuchen den Zeitpfeil als Option aufzufassen nicht als Obligatorium.

    Die Frage müsste dann sein, welchen Aspekt unserer Wirklichkeit kann man beschreiben ohne den Zeitpfeil in Anspruch zu nehmen und wie müsste man ihn beschreiben.

  17. Relativität – der kleine Unterschied

    So, Zeit ist also das was die Uhr misst? Das bedeutet doch, dass ohne die Menschen keine Zeit existiert oder haben Tiere und Pflanzen auch Uhren?
    Meine polemische Fragestellung ist natürlich nicht ohne Hintergrund, denn wenn wie Sie schreiben, Einstein festgelegt hat, dass Zeit das ist was die Uhr misst, dann kann er natürlich auch leicht seine Theorien um diese eigene Festlegung bauen.(Wahrscheinlich war der Vorgang bei ihm aber Umgekehrt) Die Frage muss aber lauten, gibt es nur dann die Zeit, wenn man diese auch misst? Oder noch einfacher
    Wie ist die physikalische Definition der Zeit?
    Dabei sollte eine Definition herauskommen ohne Zahlenwerk, ähnlich den Definitionen anderer physikalischer Grössen.

  18. Zeit

    So, Zeit ist also das was die Uhr misst? Das bedeutet doch, dass ohne die Menschen keine Zeit existiert oder haben Tiere und Pflanzen auch Uhren?

    Wozu?
    Zeit braucht nur der Mensch damit er Vorgänge in der Natur meint beschreiben zu können.
    Diese muss sich -verbiegen- damits zu Theorieaussagen passt.

    -Die Zeit- existiert nicht.
    Es hat auch noch nie jemand eine Zeit gemessen.

    Gruss Kurt

  19. messen ist nicht erzeugen

    Meine Herren,

    sehen Sie einen Unterschied in folgenden Aussagen?
    a) Zeit ist was die Uhr misst.
    b) Zeit ist was die Uhr erzeugt.

    Denken Sie einmal darüber nach.

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