Spezielle Relativitätstheorie

Die Geschichte

Der Angestellte im Patentamt

Im Jahr 1905 arbeitete in Bern in der Schweiz ein junger Mann von 26 Jahren als Angestellter im Patentamt, wo die Erfindungen der Leute geprüft wurden. Er hieß Albert Einstein, war 1879 in Ulm in Deutschland geboren und hatte keine Stelle an der Universität gefunden. Die Arbeit ließ ihm aber Zeit: Er schrieb seine Gedanken auf und dachte in Zügen, zu Hause und beim Spazierengehen mit dem Freund Michele Besso darüber nach und diskutierte über Physik. In diesem Jahr, das die Historiker „das Wunderjahr“ nennen, veröffentlichte er vier Aufsätze, die die Wissenschaft veränderten.

Der erste erklärte, dass das Licht aus kleinen Energiepaketen besteht, den „Quanten“, und für diese Idee erhielt er den Nobelpreis für Physik 1921 (1922 vergeben). Der zweite erklärte die Zickzackbewegung der Pollenkörner im Wasser mit der Anwesenheit von Atomen und Molekülen und half, die zu überzeugen, die noch daran zweifelten, dass Atome existieren. Die beiden anderen Aufsätze betrafen die „spezielle Relativitätstheorie“.

Ein Licht, zwei Beobachter

Das Problem entstand aus einer seltsamen Tatsache. Wenn ich auf einen Zug springe, der mit hundert Kilometern pro Stunde fährt, und einen Ball mit zwanzig Kilometern pro Stunde nach vorn werfe, fliegt der Ball für den, der auf dem Bahnsteig steht, mit hundertzwanzig. Beim Licht funktioniert es aber nicht so. Die Versuche Ende des 19. Jahrhunderts zeigten, dass das Licht für jeden, der es misst, immer dieselbe Geschwindigkeit hat, etwa dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde, auch wenn er in dieselbe Richtung läuft.

Einstein ging von zwei einfachen Ideen aus: Die Gesetze der Physik sind für alle Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, gleich, und die Lichtgeschwindigkeit ist für alle dieselbe. Damit die Rechnung aufging, musste man etwas Überraschendes akzeptieren: Raum und Zeit sind nicht für alle gleich. Wer sich mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegt, sieht die Zeit langsamer vergehen, und die Entfernungen verkürzen sich in Bewegungsrichtung. Es ist, als hätte jeder seine eigene Uhr und sein eigenes Metermaß.

Diese Ideen scheinen absurd, weil wir im Alltag mit winzigen Geschwindigkeiten im Vergleich zum Licht reisen und die Effekte kaum bemerkbar sind. Aber es gibt sie, und sie wurden gemessen: zum Beispiel an Atomuhren, die im Flugzeug mitgeführt wurden, und an den in der hohen Atmosphäre erzeugten Teilchen, die lange genug leben, um bis zum Boden zu gelangen, gerade weil sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

E = mc²

Ende 1905 schrieb Einstein einen ganz kurzen Aufsatz von drei Seiten mit einer weiteren Folgerung: Masse und Energie sind zwei Seiten derselben Sache. Die Formel wurde die berühmteste der Welt: E = mc², wobei E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Da c eine riesige Zahl ist und mit sich selbst multipliziert wird, enthält auch eine winzige Menge Masse eine enorme Menge Energie: Ein Gramm entspricht etwa einundzwanzigtausend Tonnen TNT. Das erklärt, wie die Sonne leuchtet, indem sie jede Sekunde Millionen Tonnen ihrer Masse in Licht und Wärme verwandelt, und wie ein Kernkraftwerk funktioniert.

Die Schwerkraft und der Ruhm

Zehn Jahre lang dachte Einstein weiter nach, und 1915 vollendete er die „allgemeine Relativitätstheorie“: Die Schwerkraft ist keine geheimnisvolle Kraft, sondern eine Krümmung von Raum und Zeit, von der Materie verursacht, wie eine schwere Kugel auf einem gespannten Tuch. Im Jahr 1919 maß der englische Astronom Arthur Eddington während einer Sonnenfinsternis, dass sich das Licht einiger Sterne beim Vorbeigang an der Sonne bog, genau wie vorhergesagt. Die Nachrichten erschienen in den Zeitungen der ganzen Welt, und Einstein wurde berühmt. Im Jahr 1933 verließ er angesichts des Aufstiegs des Nationalsozialismus Deutschland und ging in die Vereinigten Staaten, wo er bis zu seinem Tod 1955 blieb.