Einsteins Relativitätstheorie und die Zeit

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Biografie über Albert Einstein

3. Allgemeines über die Einstein’sche Relativitätstheorie
3.1 Die Spezielle Relativitätstheorie
3.2 Die Allgemeine Relativitätstheorie

4. Relativistische Kinematik
4.1 Zeitdilation
4.2 Gleichzeitigkeit
4.3 Längenkontraktion
4.4 Zwillingsparadoxon

5. Ein Experiment und dessen Nutzen
5.1 Der Atomuhrenvergleich
5.2 Das „Global Positioning System“

6. Reflexion

7. Anhang
7.1 Quellenverzeichnisse
7.2 Glossar der Fachbegriffe

1. Einleitung

Das Thema meiner Facharbeit lautet „Einsteins Relativitätstheorie und die Zeit – Die relativistische Kinematik“. Aus Interesse zu Einsteins Relativitätstheorie habe ich dieses Themenfeld aus dem Rahmenthema „Relativität“ und dem thematischen Schwerpunkt „Relativistische Kinematik“ ausgewählt. Aber andererseits habe ich mich gefragt, ob ich diese Komplexität jemals begreifen werde. Kann man Einsteins Theorie als Laie überhaupt verstehen? Dank diverser und verständlicher Literatur zu dieser Thematik verschaffte ich mir einen Überblick und ich konnte mit dessen Hilfe mein Verständnis erweitern und begann erste Aussagen über die Relativitätstheorie zu verstehen. Die Idee dahinter – die Aufgabe einer universalen Zeit – ist auch heute noch nicht einfach zu fassen. Inzwischen sind viele Experimente gemacht worden, die alle gezeigt haben, dass Einstein Recht hat! Es wurden Erfahrungen in der Relativität gesammelt. So wie unsere Erfahrung uns lehrt, dass der Apfel vom Baum auf den Boden fällt und nicht umgekehrt, so hat man gelernt, dass die Zeit nicht überall gleich vergeht. Zugegeben, diese Erfahrung macht nicht jeder, aber derjenige, der sich mit dieser Theorie auseinandersetzt und sich langsam daran gewöhnt, der macht sie.

Der Hauptteil meiner Facharbeit beginnt mit der Biografie des Erfinders der Allgemeinen und der Speziellen Relativitätstheorie – Albert Einstein. Ich habe seine Biografie ausführlicher verfasst, um zu zeigen, was ein solches Genie dazu veranlasst, eine solche komplexe und komplizierte Theorie aufzustellen – eine Theorie, die dem Wissen im beginnenden 20. Jahrhundert weit voraus ist.

Des Weiteren gebe ich eine allgemeine Beschreibung über die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie, um dem unerfahrenen Leser einen ersten Einblick über die Vielseitigkeit der Relativitätstheorie zu verschaffen und einen ersten Eindruck über den komplexen Stoff, den die Relativitätstheorie beinhaltet, zu vermitteln.

Die Relativistische Kinematik mit den Unterpunkten Zeitdilatation und Längenkontraktion sowie Gleichzeitigkeit stehen im Mittelpunkt meiner Facharbeit, ebenso ein Gedankenexperiment – das Zwillingsparadoxon. Sobald der Leser mit der Zeitdilatation vertraut ist, dürfte ihm klar sein, dass die Zeit nicht überall gleich ist, sondern dass bei Uhren in Bewegung bzw. Uhren in einem Gravitationsfeld relativistische Effekte auftreten – eine Verlangsamung des Uhrengangs. Die Themen Gleichzeitigkeit und Längenkontraktion werden für so manchen Leser nicht sehr leicht verständlich sein. Skizzen und eine ausführliche Beschreibung sollen das Verständnis erleichtern und veranschaulichen. Bei dem Zwillingsparadoxon handelt es sich um ein wohl sehr berühmtes Gedankenexperiment. Dem Leser werden hier noch einmal die relativistischen Effekte der Zeitdilatation in den Sinn gerufen^[1]. Auch mir hat dieses Experiment – das jedoch noch nie so durchgeführt werden konnte, wie beschrieben – geholfen, die Materie besser zu verstehen und aus diesem Grund möchte ich es in meine Facharbeit einbringen, um bei den Lesern den so genannten „Aha-Effekt“ auszulösen.

Abschließend möchte ich ein Experiment erklären, das bereits durchgeführt werden konnte und welches einen bestimmten Teil der Einstein’schen Relativitätstheorie bewiesen hat: eine Uhr in einem beschleunigten Bezugssystem ist einem langsameren Uhrengang ausgesetzt als eine ruhende Uhr.^[2] Den Nutzen, der aus diesem Experiment hervorgeht, möchte ich im Global Positioning System – kurz GPS genannt – erklären.

Als praktischen Teil meiner Facharbeit werde ich Berechnungen durchführen mit Hilfe der entsprechenden Formeln, zum Beispiel beim Zwillingsparadoxon und bei der Längenkontraktion.

2. Biografie über Albert Einstein

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als Erstgeborener der jüdischen Eheleute Hermann Einstein und Pauline, geb. Koch, kam Albert Einstein (siehe Abbildung 1) am 14. März 1879 in Ulm zur Welt.^[3] Ein Jahr nach seiner Geburt siedelte die Familie nach München über, wo Hermann Einstein mit seinem Bruder Jakob die elektrotechnische Firma Einstein & Cie. gründete. Am 18. November 1881 wurde Alberts Schwester Maria, genannt Maja, geboren.

Einsteins Kindheit verlief normal und eine besondere Hochbegabung war in seiner Jugend noch nicht abzusehen. 1885 kam er in die Volksschule und wechselte drei Jahre später ins Luitpold-Gymnasium über, das heute den Namen Albert-Einstein-Gymnasium trägt.

Nach der Liquidation der Firma Einstein & Cie. zog die Familie 1894 nach Mailand und Albert sollte bis zum Abitur am Luitpold-Gymnasium bleiben. Doch es gab Probleme mit den Lehrern und dem von „Zucht und Ordnung geprägten Schulsystem des Deutschen Kaiserreiches“.^[4] Ohne Abschluss verließ Albert Einstein das Gymnasium und folgte seiner Familie nach Mailand. Ein Jahr später meldete er sich in der Kantonsschule Aarau in der Schweiz an und erhielt dort 1896 die Matura (Abitur).

Von 1896 bis 1900 absolvierte Albert Einstein an der Technischen Hochschule in Zürich ein mathematisch-physikalisches Fachlehrerstudium, welches er mit dem Diplom als Fachlehrer für Mathematik und Physik beendete.^[5] Ein Jahr später wurde er Schweizer Staatsbürger. Eine feste Anstellung als Technischer Experte 3. Klasse beim Schweizer Patentamt in Bern erhielt er 1902, nachdem er sich zuvor als Hauslehrer betätigt hatte. Mit dem Philosophiestudenten Maurice Solovine und dem Mathematiker Conrad Habicht gründete er die Berner „Akademie Olympia“, einen „philosophisch-physikalischen Debatier-Club“.^[6] Nach Einstein Worten hat diese Akademie seinen beruflichen Werdegang gefördert.^[7]

Das Jahr 1905 war bedeutsam für ihn, denn er veröffentlichte einige seiner wichtigsten Werke. Später schrieb „Carl Friedrich von Weizsäcker ,1905 eine Explosion von Genie. Vier Publikationen über verschiedene Themen, deren jede, wie man heute sagt, nobelpreiswürdig

ist: die spezielle Relativitätstheorie, die Lichtquantenhypothese, die Bestätigung des molekularen Aufbaus der Materie durch die brownsche Bewegung, die quantentheoretische Erklärung der spezifischen Wärme fester Körper‘ und sein Artikel „Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?“ enthält wohl die berühmteste Formel der Welt: E=m∙c² “.^[8]

Im Jahre 1909 wurde Einstein außerordentlicher Professor an der Universität Zürich für theoretische Physik und im April 1911 ging er für ein Jahr an die deutschsprachige Prager Universität. Bereits 1912 arbeitete er wieder in Zürich mit Lehrverpflichtung an der Eidgenössischen Technischen Hochschule.

Am 1. April 1914 erhielt Einstein den Ruf an die Preußische Akademie der Wissenschaften in Berlin und wurde zum Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik ernannt. Hier fand Einstein die nötige Zeit und Ruhe um sein großes Werk, die Allgemeine Relativitätstheorie, zu beenden, dessen „Entwurf einer verallgemeinerten Relativitätstheorie, d.h. einer Theorie der Gravitation, die über Newtons Theorie hinausreicht“^[9], schon seit 1913 bestand. Im Jahre 1916 vollendete er die Allgemeine Relativitätstheorie, die bis dahin geltende physikalische Erklärungsansätze ersetzt. Raum, Zeit und Schwerkraft erlangen eine neue Bedeutung.

Weltweit Schlagzeilen machte Albert Einstein 1919 durch den Nachweis der von ihm vorhergesagten Sternlichtablenkung im Gravitationsfeld.^[10] „Dieses Resultat ist eine der größten Errungenschaften des menschlichen Denkens“^[11], kommentierte der damalige Präsident der Royal Society.

„Für seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts aus dem Jahre 1905“^[12] erhielt Albert Einstein 1921 den Nobelpreis in Physik. Einstein war nun berühmt, er gab Vorlesungen auf der ganzen Welt und zahlreiche Ehrendoktorwürden wurden ihm verliehen. Wegen Hitlers Machtübernahme 1933 kehrte Einstein aus den Vereinigten Staaten, wo er sich gerade aufhielt, nicht mehr nach Deutschland zurück. Er legte sein Amt an der Preußischen Akademie für Wissenschaften nieder, bevor die Nationalsozialisten ihn ausschließen konnten. Seine Schriften wurden im Mai 1933 vom Propagandaminister Joseph Goebbels im Rahmen der „öffentlichen Verbrennung undeutschen Schrifttums“^[13] verbrannt.

Einstein siedelte in die USA über, nach Princeton (New Jersey), wo er 1933 Professor des Institude for Advanced Studies wurde.^[14] 1940 wurde Einstein amerikanischer Staatsbürger. Im Alter von 76 Jahren am 18. April 1955 verstarb Albert Einstein in Princeton.^[15]

3. Allgemeines über die Einstein’sche Relativitätstheorie

3.1 Spezielle Relativitätstheorie

Die Spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein, veröffentlicht im Jahre 1905, ist eine physikalische Theorie über Raum und Zeit. Hierbei wird das galiläische Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik verallgemeinert. Es gelten in allen relativ zueinander gleichförmig bewegten Inertialsystemen dieselben physikalischen Gesetze. Diese Theorie wurde nicht nur zur korrekten Formulierung der Elektrodynamik eingeführt, sondern sie betrifft auch die Kinematik und die Dynamik aller Körper.

Der Kernpunkt der Speziellen Relativitätstheorie wird in Einsteins Artikel aus dem Jahre 1905 „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ festgehalten. Diese Theorie befasst sich mit der Beschreibung relativ zueinander bewegter Bezugsysteme und sie wird in der Wissenschaft als „Relativitätstheorie“ bezeichnet. Im Jahre 1916, als Albert Einstein die Grundlage einer verallgemeinerten Relativitätstheorie herausbrachte, wurde seine anfängliche Theorie von ihm umbenannt, da sich hinter ihr nur noch ein Spezialfall in der Allgemeinen Relativitätstheorie verbirgt.^[16]

Zu den Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie gehört zum Beispiel das Thema „Relativbewegungen“. Hierbei heißt es, dass die Angabe einer Geschwindigkeit auch die Angabe eines Bezugssystems benötigt. Für eine Person, die in einem Bus sitzt, ruht eine Person, die sich ebenfalls in diesem Bus befindet. Für einen Beobachter, an dem der Bus vorbeifährt, bewegen sich hingegen beide.^[17]

Weiterhin gehört die Lichtgeschwindigkeit zu den Grundlagen. Die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum beträgt ~300000 Kilometer pro Sekunde. Alle Teilchen (Photonen), deren Ruhemasse Null ist, bewegen sich nach der Relativitätstheorie mit Lichtgeschwindigkeit. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit eine Naturkonstante.^[18]

Eine weitere Grundlage ist die Äthertheorie. Das Äther ist ein hypertonisches Medium und die Physiker im 19. Jahrhundert hofften, daraus die in der Natur auftretenden Fernkräfte (zum Beispiel Gravitation oder die elektromagnetische Kraft) festzustellen. Die moderne Physik vermeidet jedoch die Kräfte des Äthers und beschreibt stattdessen die auftretenden Kräfte als Folge von Gravitations- oder elektrischen Feldern.^[19]

In erster Linie geht es in der Speziellen Relativitätstheorie um die relativistische Kinematik. Dazu gehören Gleichzeitigkeit, Längenkontraktion und Zeitdilatation, was auf den folgenden Seiten genauer erläutert wird.^[20] Die Raum-Zeit spielt in der Kinematik ebenfalls eine große Rolle. Als Raum-Zeit wird die Vereinigung des Raumes und der Zeit bezeichnet. In dem Koordinatensystem der Raum-Zeit findet man vier Dimensionen: zum einen die drei Dimensionen des Raumes und zum anderen eine Dimension für die Zeit.^[21]

[...]

^[1] Vgl. Physik Oberstufe Gesamtband, Berlin, Cornelsen Verlag 2008, S.10

^[2] Vgl. Kiefer, C.: Gravitation, Frankfurt a.M., 2003, S. 124

^[3] Vgl. http://www.klassenarbeiten.de/referate/physik/alberteinstein/alberteinstein_47.htm

^[4] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

^[5] Vgl. http://www.dieterwunderlich.de/Albert_Einstein.htm

^[6] Vgl. http://www.albert-einstein-online.de/6.html

^[7] Vgl. http://www.klassenarbeiten.de/referate/physik/alberteinstein/alberteinstein_47.htm

^[8] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

^[9] Vgl. http://www.albert-einstein-online.de/6.html

^[10] Vgl. Physik Oberstufe Gesamtband, Berlin, Cornelsen Verlag 2008, S. 446, 447

^[11] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

^[12] Vgl. http://www.albert-einstein-online.de/6.html

^[13] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

^[14] Vgl. http://www.dhm.de/lemo/html/biografien/EinsteinAlbert/

^[15] Vgl. http://www.albert-einstein-online.de/6.html

^[16] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Spezielle_Relativit%C3%A4tstheorie

^[17] Vgl. Physik Oberstufe Gesamtband, Berlin, Cornelsen Verlag 2008, S.424

^[18] Vgl. Physik Oberstufe Gesamtband, Berlin, Cornelsen Verlag 2008, S.424

^[19] Vgl. Physik Oberstufe Gesamtband, Berlin, Cornelsen Verlag 2008, S.425

^[20] Vgl. Physik Oberstufe Gesamtband, Berlin, Cornelsen Verlag 2008, S.10

^[21] Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Spezielle_Relativit%C3%A4tstheorie