Im Jahr 1905 schuf Albert Einstein ein neues Konzept von Raum und Zeit, das er später als Spezielle Relativitätstheorie bezeichnete.
Leider gab dieser Name Anlass zu vielen primitiven Interpretationen, etwa im Geiste des berühmten Liedes von Alexander Galich:
Aber Oistrach ist unverzeihlich
Trinkport.
Also ist alles auf der Welt relativ.
Einstein hat recht!
Die physikalische Relativitätstheorie ist keineswegs völlige Meinungsfreiheit im Sinne des alten Reims aus der Fabel „Geschmacksunterschied“von Kozma Prutkov:
Für ihn und bitteren Meerrettich - Himbeeren, Und ich und Pudding - Wermut.
Wenn dem so wäre, könnten sich die Wissenschaftler auf nichts einigen und sie müssten sich zum Hausmeister umschulen lassen.
Der Punkt ist ein ganz anderer. Seit Galilei und Newton sind Physiker davon überzeugt, dass alle mechanischen Prozesse in Bezugssystemen, die sich gleichförmig relativ zueinander geradlinig bewegen, genau gleich ablaufen. Beispielsweise kann Billard sowohl an Land als auch auf einem Schiff, das sich mit konstanter Geschwindigkeit durch ruhiges Wasser bewegt, mit gleichem Erfolg gespielt werden. Dies führte zu der Annahme, dass die Gesetze der Physik in allen solchen Systemen die gleiche Form haben müssten. Diese Aussage nennen wir nun das Relativitätsprinzip.
Aber wie bewegt man sich von einem Bezugsrahmen zum anderen? In der Newtonschen Physik geschieht dies einfach - die Zeit wird als gleich angesehen und die räumlichen Koordinaten werden einfach verschoben, wobei die gegenseitige Bewegung von Systemen berücksichtigt wird. Eine solche Transformation ändert weder die uns aus der Schulzeit bekannte Gleichung F=ma noch das Newtonsche Gravitationsgesetz. Aber bei Maxwells Gleichungen der Elektrodynamik funktioniert ein solcher Trick nicht, in ihnen tauchen zusätzliche Terme auf, die keine physikalische Bedeutung haben. Um dies zu vermeiden, muss man viel komplexere Transformationen von Koordinaten und Zeit anwenden, die sie voneinander sowie von der Geschwindigkeit der relativen Bewegung von Systemen und der Lichtgeschwindigkeit abhängig machen. Diese Transformationen werden Lorentz-Transformationen genannt, obwohl sie tatsächlich zuerst von dem irischen Physiker Joseph Larmor erfunden wurden.
Spezielle Relativitätstheorie ist eine logische Folge der Lorentz-Transformationen und des Prinzips, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen konstant ist. Daraus folgt, dass Raum und Zeit eine untrennbare vierdimensionale Einheit bilden (Physiker nennen es das Raum-Zeit-Kontinuum). Aus ihnen folgt auch, dass Ereignisse, die gleichzeitig in einem System auftreten, in einem anderen mit zeitlichem Abstand auftreten. Außerdem verlangsamen sich aus Sicht eines an System A gebundenen Beobachters alle Prozesse und die räumlichen Skalen im System B, das sich gleichförmig relativ zu A bewegt, werden reduziert (genauer gesagt, die Skalenreduktion erfolgt längs, in Richtung von der Geschwindigkeitsvektor von System B). Auch die berühmteste Gleichung der Welt E=mc2 folgt aus Lorentz-Transformationen.
Somit ist die Relativität von Einsteins Theorie selbst relativ. Es hat eine universelle Konstante - die Lichtgeschwindigkeit, die die Grenzgeschwindigkeit der Ausbreitung physikalischer Wechselwirkungen und damit aller Signale ist. Es enthält Größen und Gleichungen, die in allen Bezugssystemen gleich bleiben, sich also unter Lorentz-Transformationen nicht ändern. Und aus unserer Erfahrung ungewöhnliche Änderungen von Maßen, Zeiten und Massen erfolgen nach exakten und durch Experimente zuverlässig bestätigten Formeln. Im Allgemeinen hat Einstein recht.
Allerdings ist die spezielle Relativitätstheorie (SRT) nicht mit Newtons Gravitationstheorie vereinbar. Diese Theorie besagt, dass sich alle Körper gegenseitig mit einer Kraft anziehen, die nur von ihrer Masse und dem gegenseitigen Abstand abhängt. Wenn sich diese Abstände ändern, ändert sich die Gravitationskraft sofort, was der SRT eindeutig widerspricht. Deshalb begann Einstein bereits 1908 mit der Arbeit an einem neuen Gravitationsmodell. Nach sieben Jahren unermüdlicher Arbeit gelangte er zu einem Konzept, das er Allgemeine Relativitätstheorie (GR) nannte. GR basiert auf einer für seine Zeit absolut revolutionären Idee, wonach das Raum-Zeit-Kontinuum nicht flach, sondern deformiert ist und die Gravitation als „Kraft“-Manifestation dieser Deformation entsteht. Die Krümmung der Raumzeit wird durch alle Arten von Energie erzeugt, einschließlich der Energie der "Leere", des physikalischen Vakuums. Sie hängt nicht nur von der Verteilung massiver Körper im Raum ab, sondern auch von ihrer Bewegung, von den in ihnen entstehenden Drücken und Spannungen, vom elektromagnetischen Feld und allen anderen physikalischen Feldern. Die Geometrie des Raums unterscheidet sich von der euklidischen, wodurch sich Lichtwellen auch in der Leere nicht entlang gerader Linien ausbreiten und die Winkelsumme eines Dreiecks nicht 180 Grad beträgt. Aus GR folgt auch, dass unser Universum sicherlich einen Anfang hatte, aber was ihm vorausging, ist immer noch Gegenstand von Diskussionen.
Materie oder Bewegung. Materie oder Leere. Existiert diese Materie überhaupt?
Sowohl SRT als auch GR erlauben es, getrennt von Wellenfeldern und materiellen Teilchen zu sprechen und letzteren bestimmte Geschwindigkeiten und Positionen im Raum zuzuordnen. Auch diese Freude nimmt uns die Quantenmechanik. Aus ihrer Sicht sind die Konzepte von Wellen und Teilchen nur eine Hommage an unsere traditionellen Ansichten, die von der klassischen Physik geerbt wurden. In der Mikrowelt gelten ganz andere Regeln, an deren Beschreibung unsere Sprache nicht angepasst ist. Quantenobjekte haben im Allgemeinen weder Positionen noch Geschwindigkeiten – also auch keine Trajektorien. Ihre Bewegung wird durch Wahrscheinlichkeitsverteilungen beschrieben, mehr nicht. Doch je genauer wir die Geschwindigkeit eines Elektrons zu einem bestimmten Zeitpunkt kennen, desto vager ist seine Position – und umgekehrt. Ein freies Elektron im absolut leeren Raum hat einen genau messbaren Impuls, aber seine Position ist völlig unsicher – wenn man so will, ist es gleichmäßig über den Raum verteilt. Und wenn wir die experimentellen Bedingungen ändern und ein Elektron in einem sehr kleinen Volumen einfangen, wird sein Impuls zu einer Sache für sich, es wird nicht möglich sein, ihn zu messen. Auch die Energie eines beliebigen quantenmechanischen Objekts lässt sich nur mit einem gewissen Fehler messen, der umso größer ist, je kürzer der Messvorgang ist. All diese Aussagen sind Sonderfälle des Grundprinzips der Quantenmechanik, das als Unschärferelation bezeichnet wird.
Allerdings sollte man nicht glauben, dass die Quantenmechanik die kristallklare und berechenbare klassische Physik durch ein teuflisches Chaos ersetzt. Seine Gleichungen ermöglichen es, experimentell messbare Größen mit erstaunlicher Genauigkeit zu berechnen. Sie ermöglichten es, die Struktur von Atomen und die Form des Periodensystems zu berechnen, die Struktur von Atomkernen zu verstehen, eine Theorie der Elementarteilchen aufzubauen, das Verh alten von Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen und Plasmen vorherzusagen, die Entwicklung von Sternen zu erklären - man kann nicht alles aufzählen. Ihre Schlussfolgerungen mögen paradox erscheinen, aber so funktioniert die Welt.
Partikelwechselwirkungen
Die Entstehung von SRT, GR, Quantenmechanik und ihren Erweiterungen (von der Quantenelektrodynamik bis zur Superstringtheorie) hat zu einer vollständigen Transformation der Grundlagenphysik geführt. Heute wissen wir, dass Protonen, Neutronen und andere stark wechselwirkende Teilchen aus speziellen Bausteinen, Quarks, bestehen, die kurze Zeit im freien Zustand existierten und dann zu Tripletts und Paaren verschmolzen. In diesen Verbänden werden sie von anderen Teilchen, den Gluonen, zusammengeh alten, die die Quarks untereinander austauschen. Wir wissen auch, dass die elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen nur unterschiedliche Erscheinungsformen derselben Wechselwirkung sind, die als elektroschwach bezeichnet wird. Es hat seine eigenen Träger - Photonen und schwere Vektorbosonen. Wir wissen, dass Teilchenmassen nicht aus dem Nichts entstehen, sondern durch das Vorhandensein eines speziellen physikalischen Feldes, dem Higgs-Feld.
Die Quantenwelt entpuppt sich als Arena für das Spiel verschiedener physikalischer Kräfte. Zu Beginn der Existenz des Universums wurden sie vereint und zerfielen dann in Komponenten, die sich in der uns zugänglichen Energieskala als schwache, elektromagnetische und starke Wechselwirkungen manifestieren. Auch die Gravitation basiert auf Quanteneffekten, deren Theorie noch nicht aufgebaut ist. Also ist alles auf der Welt, wenn auch nicht relativ, sicherlich miteinander verbunden.
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