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100 Jahre Relativitätstheorie

Relativ revolutionär

Markus Lehner, Neue Internationale 99, April 2005

1905 erschienen in den "Analen der Physik" fünf kurze Aufsätze Albert Einsteins. Der Beitrag "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" mit der darin entwickelten "Speziellen Relativitätstheorie" eröffnete eine neue Epoche in der Physik. Die Krönung dieser von Einstein eingeleiteten Revolutionierung der Naturwissenschaften war dann 1915 die Entdeckung der "allgemeinen Relativitätstheorie".

Inzwischen war Einstein ein berühmtes Mitglied der "Preußischen Akademie". Vor 50 Jahren starb Einstein im US-Exil in Princeton, nachdem er den Rest seines Lebens vergeblich nach einer "vereinheitlichten Feldtheorie" (für Gravitation und Elektro-Magnetismus) gesucht hatte.

Diese Daten waren nun 2005 Anlass zur Ausrufung des "Einsteinjahres". Das Jubiläum bietet nicht nur Gelegenheit, sich mit dieser fundamentalen Revolution zu Beginn der Epoche der modernen Physik auseinander zu setzen, sondern auch die grundlegenden Fortschritte auf diesem Gebiet seit Einstein bekannter zu machen. Immerhin sind gerade in den letzten drei Jahrzehnten unbemerkt von der breiteren Öffentlichkeit weitere Umwälzungen z.B. in Teilchen- und Astro-Physik erfolgt, die heute Einsteins Traum einer "vereinheitlichten Theorie" immer greifbarer machen.

Für MaterialistInnen, die von einer Erklärbarkeit der Welt und ihrer Veränderungen aus den von ihr selbst hervorgebrachten Prinzipien und Elementen ausgehen, ist die Auseinandersetzung mit diesem neuen Weltbild der Physik unabdingbar.

Klassische Physik

Was zur Umwälzung im physikalischen Weltbild zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte, waren zunehmende Widersprüche in der klassischen Theorie, in die diese bei Anwendung auf neue Phänomene geraten war. Diese Phase war eingeleitet worden mit der Entwicklung der Theorie elektro-magnetischer Felder. James Clerk Maxwell hatte als erster eine mathematische Theorie aufgestellt, in der die Wechselwirkung elektrischer und magnetischer Felder erklärt werden konnte. Zugleich erklärte er die Entstehung elektro-magnetischer Wellen.

Damit setzte eine immer tiefere experimentelle und theoretische Beschäftigung mit verschiedensten Formen solcher Wellen-Phänomene ein, speziell auch des Lichts, später von Röntgenstrahlen, bis hin zur Entdeckung radioaktiver Strahlung. Bald war klar, dass sich die klassische Mechanik nicht zur Erklärung der Bewegung von Teilchen in elektro-magnetischen Feldern eignet. Sobald sich etwa ein Elektron in einem elektromagnetischen Feld bewegt, führt seine geringe Trägheit bzw. extrem große Geschwindigkeit zu Bahnen, die von den in der herkömmlichen Theorie berechneten stark abweichen.

Um Einsteins Lösung des Problems zu verstehen, ist es nötig, auch auf jene Umwälzung einzugehen, welche der Beginn der "klassischen Physik" im 17./18. Jahrhundert darstellte.

Am prägnantesten formulierte Galileo Galilei das Programm der modernen Physik in einem von Einstein oft zitierten Satz: "Das Buch der Natur ist in der Sprache der Mathematik geschrieben". Dieses Programm ist bis heute das Lebenselement physikalischer Theorie geblieben. Einstein formuliert es so: Ziel sei es, mit einem Minimum abstrakter Ausgangsannahmen aufgrund mathematischer Ableitung ein Maximum an Erlebnisinhalten zu erfassen. Galilei meinte, dass der Schlüssel zur Naturerkenntnis in einer mathematischen Beschreibung der Bewegung materieller Körper zu suchen ist.

Isaak Newton fand als erster eine allgemeine Lösung für diese Aufgabe in seinen 1686 erschienen "Mathematischen Prinzipien der Naturphilosophie" (später einfach "Principia" genannt). So gelang es Newton unter der Annahme, dass die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern proportional zum Produkt ihrer Masse und umgekehrt proportional zu ihrem Abstand ist, eine exakte mathematische Ableitung der von Kepler entdeckten Gesetzmäßigkeiten der Planetenbahnen (z.B. ihre elliptische Form) durchzuführen.

Wanken eines Weltbildes

Dies war also das physikalische Weltbild, das mit den paradoxen Beobachtungen nicht nur im Bereich elektro-magnetischer Wellen zur Wende zum 20. Jahrhundert ins Wanken geriet. Denn selbst im Bereich der astronomischen Beobachtung ließ sich nicht mehr leugnen, dass z.B. die Bahn des Merkur nicht mit den Vorhersagen Newtons übereinstimmte. Entscheidend für das Verständnis von Einsteins Leistung ist, dass er die wesentlichen Errungenschaften der klassischen Theorie zu retten versuchte, um sie in eine neue, umfassendere Theorie einzubauen.

Sein Anliegen war es gerade, die einheitliche mathematische Beschreib- und Berechenbarkeit der Naturgesetze (Determinismus) und das Relativitätsprinzip (Überführbarkeit der Darstellung von einem Bezugssystem in ein anderes durch Transformationsgleichungen) zu erhalten. Dabei entdeckte er, dass in der klassischen Physik eine unhinterfragte Voraussetzung schlummerte, in der Form der Annahme bevorzugter Bezugssysteme: der "Inertialsysteme", deren Nullpunkt sich in Ruhe oder gleichförmiger Bewegung (keine Beschleunigung) befindet, und in denen das Maß für Raum und Zeit jeweils gleich ist (Homogenität).

Die Formulierung der Newtonschen Gesetze setzt solche Raum/Zeit-Systeme z.B. zur Formulierung des Trägheitsgesetzes voraus. In der Erklärung elektro-magnetischer Wellen konnten sich die Physiker nun nur so behelfen, dass sie ein spezielles unsichtbares Medium für die Ausbreitung dieser Wellen, den "Äther", annahmen, der in einem solchen Inertialsystem ruht. Damit wurde der physikalische Raum praktisch mit dem Äther gleichgesetzt.

Daraus ergab sich aber, dass in gegenüber dem Äther bewegten Bezugssystemen auch die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen, wie die des Lichts, nach dem Gesetz der Additivität der Geschwindigkeiten jeweils eine andere sein müsste. Es würde sich damit also auch die paradoxe Möglichkeit einer Über-Lichtgeschwindigkeit ergeben - womit man ja praktisch Ereignisse in der Zukunft voraus sehen könnte. Damit könnte man sie aber auch verändern - aber: wie aber konnte man sie dann zuvor sehen?!

Diese Möglichkeiten von Geschwindigkeits-Additionen führten zu klar definierten experimentellen Nachprüfungen der Äther-Theorie, z.B. durch Michelson und Morley 1897. Nachdem diese Experimente alle keinen Nachweis einer Veränderung der Lichtgeschwindigkeit in bewegten Bezugssystemen erbrachten, setzte sich allgemein die Hypothese durch, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen gleich sein muss. Erst Einstein erkannte die tief greifenden Folgen dieser Annahme für das Raum/Zeit-Verständnis der Physik.

Der Äther musste als Hypothese aufgegeben werden, da alle Inertialsysteme gleichberechtigt sind, d.h. in allen gelten die gleichen Naturgesetze und insbesondere auch die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Wegen der Addition von Lichtgeschwindigkeit und der Geschwindigkeitsdifferenz zweier gegeneinander bewegter Inertialsysteme folgt damit aus den Grundgleichungen für Geschwindigkeiten, dass das Zeit- und Raummaß in den beiden Bezugssystemen verschieden sein müssen.

Zeit und Raum

Die Transformationsgleichungen (Lorentz-Transformation) führen dazu, dass die in der klassischen Physik vorausgesetzte Homogenität von Raum und Zeit aufgegeben werden musste. Stattdessen wurden Raum und Zeit als zusammengehörige vierdimensionale "Raumzeit" als jeweils abhängig vom Bewegungszustand des Bezugspunktes angesehen.

Dies hat weit reichende Folgen: die Gleichzeitigkeit von Ereignissen wird damit abhängig vom Bezugssystem, in dem diese Ereignisse beschrieben werden. Außerdem folgt aus der Konstanz von Lichtgeschwindigkeit und der Relativität der Raumzeit auf das Bezugssystem zusammen mit dem Prinzip der Energieerhaltung, dass die Masse - anders als bei Newton -  nicht konstant sein kann. Der Masse in den Bewegungsgleichungen Newtons muss ein Umrechnungsfaktor beigefügt werden, der umso größer ist, je mehr die Geschwindigkeit dieser Masse sich der Lichtgeschwindigkeit nähert.

Das war ein weiterer revolutionärer Gedanke Einsteins: Masse und Energie sind wesensgleich, die Masse eines Körpers ist ein Maß für dessen Energiegehalt. Dies wird in einer der wohl berühmtesten Formeln der Physik-Geschichte zusammengefasst: Energie (E) ist gleich Masse (m) mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat (c²): E = mc².

Dieser Zusammenhang wurde später zur Grundlage weit reichender technologischer Anwendungen. So basieren moderne Teilchenbeschleuniger darauf, dass die bei extrem hohen Geschwindigkeiten kollidierenden Teilchen eine Energie erzeugen, aus der Masse in Form von Elementarteilchen entsteht (zumindest für kurze Zeit), wie sie sonst auf der Erde nicht vorkommen. 

So grundlegend und inzwischen auch experimentell gut bestätigt all diese Neuerungen auch sind, so ergaben sie noch kein neues mathematisches System von der Art der Principia, insbesondere ist mit der "speziellen Relativitätstheorie" die Gravitation nicht erklärbar.

Denn Newtons Gravitationsgesetz geht davon aus, dass die Gravitationskraft "gleichzeitig" auf entfernte Massen wirken kann. Die Gravitationskraft würde also im Widerspruch zur speziellen Relativitätstheorie schneller als das Licht wirken.

In der "allgemeinen Relativitätstheorie" hat Einstein daher seine neue Theorie der Raum-Zeit nochmals radikalisiert. Einstein verallgemeinert sein Relativitätsprinzip von Inertialsystemen auch auf beschleunigte Bezugssysteme: auch in ihnen gelten dieselben Naturgesetze und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Dies bedeutet nicht mehr nur eine Veränderung von Raum- und Zeitmaßen, sondern auch der Geometrie der Raumzeit, veranschaulicht etwa durch das Modell des "gekrümmten Raumes". Masse und Energie verursachen danach "Eindellungen" in der Raumzeit, die bewirken, dass gleichförmig beschleunigte Körper, die durch solche "Eindellungen" bewegt werden, ihre Bahn so ändern, als würde eine Gravitationskraft eine entsprechende Beschleunigung bewirken.

Damit war nicht nur anders als bei Newton eine Erklärung der Gravitation in einer Feldtheorie gelungen, welche die Newtonschen Bewegungsgleichungen als Spezialfall enthielt. Es konnten so auch andere Phänomene erklärt werden: die Abweichung der Merkurbahn, die Krümmung von Lichtstrahlen in Gravitationsfeldern (wie bei Sonnenfinsternissen zu beobachten), Spektralverschiebungen von Sternen-Licht, etc. Solche experimentellen Bestätigungen der allgemeinen Relativitätstheorie in großer Zahl nach dem 1.Weltkrieg führten zu dem in der Physikgeschichte einmaligen Triumph Einsteins, der ihn zu einer weltweit umjubelten Persönlichkeit machten. Auch ganz praktische Errungenschaften bestätigen die Theorie. Als man in den 1980ern das GPS-Navigationssystem einführte, waren die ersten Ergebnisse zunächst nicht exakt - man hatte vergessen, die Transformationsgleichungen für beschleunigte Bezugssysteme der allgemeinen Relativitätstheorie anzuwenden.

Philosophische Schlüsse

Zentrale philosophische Konsequenz der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass unsere Vorstellung von Raum und Zeit ihre abstrakte, über der Erfahrung stehende Allgemeinheit verliert. In der mathematischen Formulierung der Theorie wurde eine die klassische "euklidische" Geometrie verallgemeinernde Geometrie zur Beschreibung der Raumzeit verwendet, die der deutsche Mathematiker Riemann einige Jahrzehnte zuvor entwickelt hatte.

Einstein formulierte das so: "Der Raum ist also gemäß dieser Theorie - genau wie es Riemann geahnt hat - kein absoluter mehr, sondern seine Struktur hängt von physikalischen Einflüssen ab. Die (physikalische) Geometrie ist keine isolierte, in sich geschlossene Wissenschaft mehr wie die Geometrie Euklids". Die Geometrie ist selbst ein Bestandteil von Erfahrungswissenschaft und keine unhinterfragbare Voraussetzung von Wissenschaft mehr. Genau dies war sie aber noch in der klassischen Theorie.

Der Philosoph Kant, der Ende des 18. Jahrhunderts versuchte, aus der Newtonschen Physik grundlegende philosophische Schlüsse zu ziehen, hat diese Voraussetzung bei Newton sehr wohl gesehen. Seine Konsequenz, die für die gesamte nachfolgende bürgerliche Philosophie bestimmend wurde, war, dass Vernunfterkenntnis ohne bestimmte, der Erfahrung vorgelagerte Voraussetzungen unmöglich sei; dass insbesondere unsere Vorstellung von Raum und Zeit eine aller Erfahrung vorausgesetzte Gegebenheit sei, die allein schon die Erkenntnis des "Dinges an sich" unmöglich machen würde.

Kant begründete damit die spezielle Form des bürgerlichen "Rationalismus", der Vernunft immer nur in Teilsystemen für möglich hält, diese partielle Vernunft jedoch in ein irrationales, nicht-erkennbares Gesamtsystem eingebettet sei. Eine Erkenntnis der Gesamtheit, wie auch eine wissenschaftliche Weltanschauung sei dagegen unmöglich, da sie an unüberschreitbaren Schranken unserer Erkenntnisfähigkeit scheitern würde.

Gerade aus seinen Annahmen über Raum und Zeit folgt nach Kant ein für unseren Verstand nicht lösbarer Widerspruch in der Kosmologie: sowohl die Annahme einer unendlichen Geschichte des Universums, wie auch die eines Anfangs des Universums führen zu paradoxen Konsequenzen.

Es ist eine der Errungenschaften der allgemeinen Relativitätstheorie, dass sie einen Ausweg aus der kosmologischen Antinomie Kants weist: in ihrem Raumzeit-Modell ist ein endliches Universum möglich, indem es keinen Anfang gibt (da die Zeit erst mit der Materie im "Urknall" auftaucht und es damit auch kein "davor" gibt).

Einsteins Bedeutung über die Physik hinaus ist, dass er dem alten materialistischen Prinzip wieder zur Geltung verholfen hat, dass sich alle unserer Erfahrung zugänglichen Phänomene mit Prinzipien und Werkzeugen erkennen lassen, die wir selbst wieder aus der Wechselwirkung mit der materiellen Welt gewinnen. Es gibt keine unhinterfragbaren, "nur im Denken" vorhandenen Voraussetzungen, sondern selbst unsere abstraktesten Vorstellungen unterliegen einer beständigen, dialektischen Modifikation durch die Wirklichkeit.

Einstein begnügte sich nicht mit einer fachspezifisch eingegrenzten wissenschaftlichen Vernunft: gerade seine Suche nach einer allgemeinen Feldtheorie zeigt sein Bestreben nach einer wissenschaftlichen Theorie und Erklärung des Gesamtsystems.

Politisches Engagement

Dieser universelle Vernunftanspruch wurde bei Einstein auch auf politischem Gebiet wirksam.

Sein oft mutiges Auftreten gegen den Krieg (z.B. während des Ersten Weltkriegs), seine Konfrontation mit dumpfen Nationalismus (z.B. in der Weimarer Republik), seine sehr frühe Positionierung gegen die Nazis, seine Stellungnahme gegen das atomare Wettrüsten gegen die Sowjetunion, seine scharfen Auftritte gegen die "Inquisition" der McCarthy-Ära, wie auch seine allgemeinen Sympathie-Bekundungen für den "Sozialismus" sind sicher positiv hervor zu heben.

In den zwanziger Jahren trat Einstein aktiv für die Bekämpfung von Arbeitslosigkeit durch Arbeitszeitverkürzung bei gleichzeitiger Festsetzung von Minimallöhnen ein ("Gedanken über die ökonomische Weltkrise"). Gleichzeitig blieb Einstein aber Verfechter von parlamentarischer Demokratie und Marktwirtschaft (während der Novemberrevolution bekannte er sich zu Ebert). Sein politischer Vernunft-Anspruch blieb so immer der einer individuellen Moral-Instanz.

Durch seine Befürchtung getrieben, die Nazis könnten die Atombombe bauen, verfasste er 1939 einen berühmt-berüchtigt gewordenen Appell an die US-Regierung, das Atombomben-Programm in Gang zu setzen. Viele seiner Schüler und Kollegen beteiligten sich daraufhin am "Manhattan-Project", einem der gigantischsten militärisch-industriellen Unternehmen aller Zeiten. Später meinte Einstein, durch Appelle und Komitees gegen das Wettrüsten die Herrschaftsapparate wieder zur Abkehr von diesem "Irrweg" bewegen zu können.

Dies erinnert an die Parabel auf die "individuelle Verantwortung" in Dürrenmatts "Die Physiker". Dort versucht ein Physiker, den Missbrauch seiner Theorien durch die Flucht in eine Irrenanstalt zu verhindern - mit dem Resultat, dass seine Erkenntnisse und die daraus resultierenden Vernichtungswaffen einer verrückten Irrenärztin in die Hände fallen. In einer durch Klassenspaltung bestimmten Gesellschaft lässt sich letztlich rein individuell kein moralischer und vernünftiger Standpunkt finden.

"Gesellschaftliche Verantwortung" und "Vernunft" lassen sich nur vom Klassenstandpunkt aus definieren. Erst diejenige Klasse, die alle Klassenherrschaft überwinden kann, erlaubt es, sich einem Standpunkt allgemeiner gesellschaftlicher Vernunft und Moral anzunähern. Der Sieg der Vernunft kann, wie es Brecht formulierte, nur der Sieg der Vernünftigen sein. Insofern blieb auch Einsteins Vernunft begrenzt und ist erst auf einer höheren Stufe weiter entwickelbar.

Dem hätte Einstein selbst am wenigsten widersprochen. 1950 stellte er fest: "So sehen wir, wie sich am wissenschaftlichen Menschen ein wahrhaft tragisches Schicksal vollzieht. Getragen von Streben nach Klarheit und innerer Unabhängigkeit, hat er durch seine schier übermenschlichen Anstrengungen die Mittel zu seiner äußeren Versklavung und zu seiner Vernichtung geschaffen". Als ungebrochener Optimist glaubte er zugleich daran, dass die gewaltige Produktivkraft und die Dynamik des wissenschaftlichen Fortschritts Grundlagen für eine bessere Zukunft sind.

Literatur

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Nr. 99, April 2005

*  Arbeitslosigkeit: Schwarze Bilanz von Rot/Grün
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*  Tarifabschluss Öffentlicher Dienst: Zahnloser Tiger Ver.di
*  Heile Welt
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*  100 Jahre Relativitätstheorie: Relativ revolutionär
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