Sexl Physik 8, Schulbuch

Spezielle Relativitätstheorie In diesem Kapitel erfährst du − − wie eine Atomuhr funktioniert, − − warum man einen Lichtstrahl nicht überholen kann, − − warum in einer Rakete die Zeit langsamer vergeht als auf der Erde, − − warum Gegenstände kürzer sind, wenn sie sich bewegen. 1 1.1 Von der Ätherhypothese zur Relativitätstheorie In Physik 7 (S. 87/88) haben wir die gegensätzlichen Standpunkte zur Natur des Lichts kennengelernt, die Newton und Huygens am Ende des 17. Jh. vertraten: Während Huygens Wellen zur Erklärung der Lichtausbreitung vorschlug, vertrat Newton die Ansicht, dass Licht aus Teilchen besteht. Mit den damaligen Mitteln waren bei Licht keine Beugungserscheinungen nachweisbar. Erst 100 Jahre später setzte sich das Wellenmodell des Lichts durch: Thomas Young konnte mit dem Dop- pelspaltexperiment die Lichtbeugung nachweisen (s. Physik 7, S. 63). Maxwell fol- gerte aus der von ihm entwickelten Theorie des Elektromagnetismus, dass Licht vermutlich eine elektromagnetische Welle ist. Wenn Licht eine Wellenerscheinung ist, so ergab sich für Huygens und besonders für die Physiker des 19. Jh. die Frage, in welchem Medium sich Licht ausbreitet. Mechanische Wellen (z. B. Schallwellen) breiten sich in Materie, aber nicht im Vakuum aus. Wie aber erreicht uns das Licht der Sonne, wie durchdringt Licht evakuierte Glasgefäße? Huygens vermutete, dass es ein Ausbreitungsmedium für das Licht gibt, das den ganzen Weltraum erfüllt – er nannte es Äther . Ein solcher Äther müsste allerdings äußerst ungewöhnliche Eigenschaften besit- zen: Er müsste eine vernachlässigbar geringe Dichte besitzen, da sonst die Plane- ten durch Reibung gebremst würden und schon längst in die Sonne gestürzt wä- ren. Andererseits müsste er härter als Stahl sein, um die Größe der Lichtgeschwindigkeit zu erklären. Ein Material mit diesen Eigenschaften kannte man nicht. Die Suche nach Effekten der Bewegung durch den das Weltall ausfül- lenden Äther war daher ein vordringliches Problem. Wegen der Bewegung der Erde durch den Äther müsste es einen „Ätherwind“ ge- ben, genauso wie man auch bei Windstille auf einem fahrenden Schiff oder Fahr- rad einen Wind verspürt (  6.3 ). Da der Äther elektrische und magnetische Kräfte übertragen sollte, müsste der Ätherwind zu messbaren Wirkungen führen. Die zahlreichen Experimente zu den Auswirkungen des Ätherwinds konnten aber nie einen überzeugenden Nachweis liefern. Das wichtigste Experiment zum Ätherwind wurde von A lbert M ichelson (1852– 1931) und E dward M orley (1838–1923) im Jahr 1887 unternommen. Licht sollte sich nach damaliger Ansicht in allen Richtungen mit der Lichtge- schwindigkeit c ≈ 300 000 km/s durch den Äther ausbreiten. Bewegt sich die Erde mit der Geschwindigkeit v durch den Äther, so eilt das Licht in der einen Richtung der Erdbewegung entgegen, läuft in der Gegenrichtung aber mit der Erde mit. Die auf der Erde gemessene Lichtgeschwindigkeit in diesen Richtungen müsste also c + v bzw. c – v betragen. Ob diese Ausbreitungsgeschwindigkeiten tatsächlich ver- schieden sind, wollten M ichelson und M orley in dem Experiment überprüfen. Doch auch mit diesem Experiment konnte keine Bewegung der Erde relativ zum Äther festgestellt werden. Das Modell des Äthers als Medium der Lichtausbreitung er- wies sich dadurch als falsch und wurde durch die Relativitätstheorie überflüssig. 6.1 Die weltweit einheitliche Zeitskala und auch die modernen Navigationssysteme wie GPS und Galileo beruhen auf Zeitsignalen, die über Funk ausgesendet werden. ?  Warum gäbe es merkliche Ab­ weichungen, wenn die Relativitäts­ theorie falsch wäre? 6.2 Der Beginn der Abhandlung Einsteins mit den Grundlagen der Speziellen Relativi- tätstheorie. Diese Arbeit erschien im Jahre 1905 in der Zeitschrift „Annalen der Physik“. 6.3 Wegen der Bahnbewegung der Erde um die Sonne kann man nicht annehmen, dass die Erde im Äther ruht. Ferner müsste man erwar- ten, dass sich auch das gesamte Sonnensys- tem durch den Äther bewegt. Absoluter Raum = des Äthers Ruhesystem Sonnensystem Erde Sonne v ?  6 Relativitätstheorie Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv