P7: Einstein und die Lichtgeschwindigkeit

 1.4 Einstein und die Lichtgeschwindigkeit 

    Albert Einstein (1879 -1955) hatte nach seinem Studium Mühe einen Job zu bekommen. So war er froh, dass er als Patentbeamter dritter Klasse im Patentamt von Bern Patente überprüfen durfte.

Trotz eines 10 stündigen Arbeitstages hatte er ausreichend Zeit im Jahr 1905 vier Arbeiten zu veröffentlichen, die jede für sich einen Nobelpreis hätte ergeben müssen, wenn denn die Tragweite nicht teilweise Jahrzehnte später erst von den anderen Physikern erkannt worden wäre.

 

Er hat 1905

  -  die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom erklärt und eine einfache Formel dafür entwickelt, die erst Jahre später experimentell bestätigt wurde (9.6.). Das wird ein Hauptthema unseres Kurses. Und dafür hat er 1921 den Nobelpreis bekommen.

  -  durch Analyse der Brownschen Bewegung nachgewiesen, dass Atome wirklich real axistieren und ihre Größe bestimmt (18.7.)

 -  die spezielle Relativitätstheorie entwickelt (26.9.)

  -  die berühmteste Gleichung der Physik hergeleitet: E = m*c² (21.10.)

 Nebenher hat er 1905 noch promoviert.

Wir wollen nur einen kurzen Blick auf den Anfang der Speziellen Relativitätstheorie SRT werfen:

Einstein fiel auf, dass in der aus den Maxwellschen Gleichungen hergeleiteten Formel für c die Geschwindigkeit v der Lichtquelle nicht vorkommt.

Daraus schloss er, dass die Lichtgeschwindigkeit eine von der Bewegung der Lichtquelle oder des Beobachters unabhängige Größe ist.

Das war experimentell schon von Michelson und Morley nachgewiesen worden (da kommen wir bald zu). Davon hatte Einstein sicher gehört, aber er war Theoretiker. Wenn eine Theorie schön ist und mathematisch prägnand formuliert werden kann, dann hatte das für ihn ein hohes Gewicht.

Die Arbeit über SRT nannte er auch in Anlehnung an Maxwell: "Über die Elektrodynamik bewegter Körper".

Von seinem Zimmer im Patentamt sah er mehrere Kirchturmuhren, die alle unterschiedliche Zeiten anzeigten. Er suchte eine (theoretische, nicht unbedingt praktisch umsetzbare) Methode, mit der man Uhren synchronisieren kann.

Dabei dachte er über folgendes Gedankenexperiment nach:

nach Cosmology von Perlov, Wilenkin

Mitten in einem Eisenbahnwagon sendet eine Lampe einen Lichtblitz in alle Richtungen aus. Relativ zum Wagon hat das Licht die Geschwindigkeit c. Steht die Lampe genau in der Mitte, so wird das Licht gleichzeitig an den Wänden vorne und hintemn ankommen.

Wie sieht der Vorgang für einen außerhalb stehenden Beobachter (winkender Mann) aus?

Auch für ihn hat das Licht die Geschwindigkeit c. Die hintere Wand fährt aber auf den Lichtstrahl zu, er wird dort also für den außenstehenden Beobachter zuerst ankommen.

Wenn also die Lichtgeschwindigkeit innerhalb und außerhalb des fahrenden Zuges immer gleich groß ist, dann ist das Auftreffen auf die vordere und hintere WEand für die Mitfahrerin gleichzeitig, für den winkenden Mann außen nicht mehr.

Ob etwas gleichzeitig ist, kann man also nicht absolut sagen. Gleichzeitigkeit kann nur relativ zu einem Bezugssystem (Wagen oder Bahndamm) angegeben werden.

Das hat Einstein konsequent weiter entwickelt und gezeigt, dass deshalb der zZitablauf im bewegten Zug langsamer ist als für den ruhenden Mann.

Zeit ist relativ. Und Zeit läuft langsamer, wenn man sich bewegt.

Die Formel für diese  Zeitdilatation kennt ihr schon aus E 1 und Q1:

 

Die Effekte machen sich nur bei sehr hoher Geschwindigkeit bemerkbar. Würde sich der Zug mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegen, so würde 1 sec auf dem Bahndamm nur 0,866 Sekunden im Zug dauern.l Erst nach 1,155 Zugsekunden sähe man den Sekundenzeiger einer Bahnhofsuhr um eine Sekunde weiterrücken.

Das nennt man Zeitdilatation.

Einstein geht soweit, dass er sagt, dass Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nur Illusionen sind.

Ihr merkt also, welche gewaltigen Erkenntnisse aus der Unveränderlichkeit der Lichtgeschwindigkeit über unsere Welt gezogen werden.

Die Zukunft gibt es schon, die Vergangenheit ist noch da...wir kommen nur noch nicht bzw. nicht mehr hin...

Interessantes am Rand:

In einer Veröffentlichung in Science (2/2015) hat Giovannini gezeigt, dass der bekannte Wert für c im Vakuum nur für ebene Wellen gilt. Durch Überlagerung kann man Wellenfronten von Licht erzeugen, die sich geringfügig, aber messbar, langsamer im Vakuum ausbreiten. 

Und: Wären Einsteins Formeln falsch, würden unsere Navigationsgeräte nach einem Tag einen Fehler von über 30 km produzieren.

Jeder, der ein Navi benutzt und auf der Autobahn die richtige Ausfahrt findet, hat Einsteins SRT (und die Allgemeine Relativitätstheorie) getestet.

 

Wie hoch war mein Strafzettel?