Albert Einstein: 1905 – das “annus mirabilis“

Und wenn es den Äther doch nicht gibt?

Als der junge Einstein im Berner Patentamt saß und nach Feierabend über die Konsequenzen des Michelson-Morley Experimentes nachdachte, war er weder der erste noch der einzige, der nach einer Erklärung suchte. Immerhin waren seit dem Experiment schon mehr als 15 Jahre vergangen. Zwei Physiker waren der Lösung sehr nahe gekommen: Jules Henri Poincaré (1854-1912) in Paris und Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) im niederländischen Leiden. Lorentz hatte vorgeschlagen, das Messergebnis folgendermaßen zu erklären: Die Lichtgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung des Michelson-Apparates ändert sich zwar, aber die Änderung lässt sich nicht messen. Die Ausdehnungen in Bewegungsrichtung werden um einen bestimmten Faktor verkürzt aber Zeitabstände werden um den gleichen Betrag verkürzt. Dividiert man nun Abstände und Zeitabstände, um eine Geschwindigkeit zu berechnen, so „kürzt“ sich der Verlängerungsfaktor heraus, und man misst immer denselben Wert für die Lichtgeschwindigkeit. Dieser Faktor wurde von Lorentz angegeben und kann mit einem Taschenrechner leicht berechnet werden:

factor =

Damit war die Äthertheorie in einem gewissen Sinne gerettet, die Anschaulichkeit gewahrt und die Messung mit einem Rechentrick erklärt.

Der radikale Schritt, den Einstein in Bern tat, und den zu gehen keiner vorher gewagt hatte, bestand nun darin, der Misere direkt ins Auge zu schauen: Es gilt zwei Wahrheiten zu akzeptieren, die dem „gesunden Menschenverstand“ widersprechen:

• Es gibt keinen Äther. Licht braucht kein Medium, um sich auszubreiten.
• Die Lichtgeschwindigkeit ist in jedem Labor oder Raumschiff dieselbe, egal ob sich die Lichtquelle auf den Beobachter zubewegt oder nicht.

Das Michelson-Experiment muss in seiner ganzen Kompromisslosigkeit akzeptiert werden. Das Licht verhält sich nicht nur so „als ob es keinen Äther gäbe“. Wir müssen daraus schließen, dass es tatsächlich keinen Äther gibt. Und damit wird es niemals möglich sein festzustellen, ob wir uns relativ zum Universum bewegen oder das Universum relativ zu uns!

Die Spezielle Relativität: Zwei Sätze, die man akzeptieren muss

Diese beiden Aussagen sind die Quintessenz der Relativitätstheorie. Sie sind die Wächter an der Pforte in ein bizarres Reich fantastischer Physik. An ihnen muss jeder vorbei, der verstehen will, wie die Welt der Lichtquanten und der Teilchenbeschleuniger aussieht, und sie sind auch die Wächter über die berühmteste Formel des 20. Jahrhunderts:

E = mc²

Wie in einem Fantasy-Roman belohnen die beiden Wächter denjenigen der bereit ist, ein großes Opfer zu bringen und seine Sicht auf die Dinge zu ändern. Die Forderung der Wächter lautet: Verzichte auf deinen sogenannten „gesunden Menschenverstand“! Misstraue deinen Alltagserfahrungen, denn du bist ein Wesen, das nur kleine Geschwindigkeiten erleben kann. Wenn es anders wäre, könntest du nicht auf einem Planeten leben. Schon die - im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit - lächerlich kleine Geschwindigkeit von 11 km/s reicht, um dich deiner Lebensgrundlage, der Erde, zu entreißen.

Die eigene Erfahrung, gewonnen aus Experimenten mit Fahrrädern, Autos, Eisenbahnen oder Flugzeugen, reichen also nicht aus, um daraus zu schließen, wie Messergebnisse aussehen, die sich auf Körper beziehen, die zum Beispiel mit 100.000 km/s an uns vorbeisausen. Es war Einsteins geniale Intuition und nicht die Messungen an schnellen Raumschiffen, die ihn auf die richtige Idee brachten.

Einsteins Labor im Kopf

Einstein war eine wissenschaftliche Ich-AG. Zeit seines Lebens war er ein wissenschaftlicher Einzelkämpfer, der nie in das tägliche Leben eines „normalen“ wissenschaftlichen Instituts eingebunden war. Selbst das Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik in Berlin, dessen Direktor Einstein 1914 wird und für 19 Jahre bleibt, gibt es im materiellen Sinne gar nicht: Einstein arbeitet in seinem Arbeitszimmer zu Hause, und außer einer Sekretärin hat er kein Personal.

Was Albert Einstein zum Forschen braucht, hat er im Kopf. Einem Besucher im Berner Patentamt zeigte er einmal seine Notizbücher in seiner Schreibtischschublade mit den Worten: „Dies ist mein Büro für theoretische Physik.“

Der junge Einstein macht auf seine Umgebung häufig einen abwesenden Eindruck. Tief in Gedanken verloren, konnte er inmitten einer anregenden Abendgesellschaft abseits sitzen und auf einer Serviette Notizen machen. Als Einstein 1911 in Prag seine erste Professur innehatte, verkehrte er gerne in den literarischen Zirkeln der Stadt. Hier begegnete er u. a. dem Schriftsteller Max Brod. Brod war so beeindruckt von dem jungen, nachdenklichen Wissenschaftler, dass er ihn als Vorbild für die Figur des Johannes Kepler in seinem Roman „Tycho Brahes Weg zu Gott“ wählte.

Einstein hatte also kein Labor oder Institut im Hintergrund, als er an seiner Speziellen Relativitätstheorie arbeitete. Tagsüber als Sachbearbeiter im Berner Patentamt tätig, blieben ihm nur die Abende und die Sonntage für seine Forschung. Daher war es für ihn sogar schwierig, Zeit für Besuche in der Bibliothek zu finden. Intensives Nachdenken und die Diskussionen mit seinen Freunden Michele Besso, Conrad Habicht und Maurice Solovine bringen ihn weiter. Auch seine Frau Mileva, selbst studierte Physikerin, hat immer ein offenes Ohr für Alberts revolutionäre Ideen über Raum und Zeit.

Aber sein Hauptwerkzeug bleibt seine Fantasie. „Was wäre wenn ...?“ ist eine typische Frage, um sich der bizarren Welt der Relativitätstheorie zu nähern.

Gedankenexperimente

Es sind die berühmt gewordenen „Gedankenexperimente“, die Einstein anstellt, um zu einer widerspruchsfreien Darstellung des Verhaltens von bewegten Körpern zu kommen. Das Wort „Gedankenexperiment“ hat seit Einstein als deutsches Fremdwort sogar Eingang in die englische Sprache gefunden. Folgende Gedankenexperimente sind klassisch geworden:

„Wie sähe die Welt aus, wenn man auf einem Lichtstrahl reiten könnte, d. h. sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würde?“ Diese Frage fand Einstein schon als Schüler in einem seiner populärwissenschaftlichen Bücher von Aaron Bernstein. Sie führt zu einem logischen Widerspruch mit der Theorie des Elektromagnetismus: Einerseits würde ein solcher Beobachter das Licht als „stehend“ sehen, andererseits muss es sich nach den Gleichungen der Elektrodynamik auch von unserem „Lichtreiter“ mit Lichtgeschwindigkeit entfernen. Einsteins Lösung: Es gibt keine absolute Zeit. Der Lichtreiter erlebt eine andere Zeit als sein Beobachter.

Ein Physiker hat sein Labor in einem fahrstuhlartigen, fensterlosen Kasten, der sich im schwerelosen Weltall befindet. Er ist gewichtslos. Plötzlich spürt er wieder sein Gewicht und seine Waage zeigt ihm, wie schwer er ist. Frage: Kann der Physiker innerhalb des Kastens feststellen, ob er sich wieder auf der Erde befindet und die Schwerkraft auf ihn wirkt, oder ob ein Triebwerk ihn beschleunigt durch den Weltraum befördert und er deshalb auf die Waage gedrückt wird? Einsteins Antwort: Nein, es gibt keine Möglichkeit innerhalb des Kastens, die Situation aufzuklären. Dieses einfache Gedankenexperiment führt zu einer wichtigen Aussage der Allgemeinen Relativität: Schwere und träge Masse sind gleich groß (Äquivalenzprinzip).

Gedankenexperimente sind nicht ungefährlich. Sehr leicht kann dem Experimentator der „gesunde Menschenverstand“ einen Streich spielen und er kann sich irren. Ein klassischer Fall von einem misslungenen Gedankenexperiment findet sich in Jules Vernes Roman „Reise um den Mond“. Für die Reisenden in Vernes Mondkapsel tritt die Schwerelosigkeit nur in dem Moment ein, in dem sie den Punkt erreichen, an dem sich die Anziehungskräfte des Mondes und der Erde gerade aufheben. Seit den Apollo-Missionen weiß aber jeder, dass während des ganzen Fluges Schwerelosigkeit herrscht (solange keine Triebwerke gezündet werden).

Es gehört zur Genialität Einsteins, dass seine Gedankenexperimente gelangen, so dass er in der Lage war, in seinem „Kopflabor“ zu arbeiten, als ob ihm bereits die Messgeräte der Zukunft zur Verfügung ständen. Einstein selbst erklärt die Sache so: „Das Geschenk der Fantasie hat mir mehr bedeutet als die Fähigkeit, Wissen zu erwerben.“ Oder noch einfacher: „Ich vertraue auf Intuition.“