Artikel in de Times over de relativiteitstheorie

Was ist Relativitätstheorie; door Albert Einstein

Opmerkingen: Op 6 november 1919 hielden de "Royal Society" en de "Royal Astronomical Society" een gemeenschappelijke zitting, om bekend te maken dat de door hen uitgezonden wetenschappelijke expeditie naar het portugese eiland Principe (voor de afrikaanse kust) en de braziliaanse plaats Sobral tijdens de zonsverduistering van 29 maart 1919 metingen hadden gedaan die Einsteins theorie van "gekromde ruimte" ondersteunden. In de openingsrede van Sir Joseph Thomson prees hij Einsteins theorie als "één van de grootste prestaties in de geschiedenis van het menselijke denken" en verkondigde feestelijk dat "het zwaarteveld van de zon inderdaad de uit Einsteins algemene relativiteitstheorie berekende afwijking bewerkstelligt".

Opmerkingen: De (in het duits) hieronder staande inleiding op Einsteins theorien is door hemzelf gemaakt op uitnodiging van het britse blad "Times" Overgenomen uit: Albert Einstein, Mein Weltbild, blz 127, Ullstein ISBN 3.548.02065.8. De vetgedrukte woorden staan in het origineel niet vet De oorlog waarnaar in de inleiding wordt verwezen is Wereldoorlog I.

Hier volgt de tekst ...

Dem Ersuchen Ihres Mitarbeiters, für die "Times" etwas über "Relativität" zu schreiben, komme ich gern nach. Denn nach dem beklagenswerten Zusammenbruch der früher regen internationalen Beziehungen der Gelehrten ist dies mir ein willkommene Gelegenheit, mein Gefühl der Freude und der Dankbarkeit den englischen Atronomen und Physikern gegenüber aus zu drücken. Es entspricht ganz den großen und stolzen Traditionen der wissenschaftlichen Arbeit in Ihrem Lande, daß bedeutende Forscher viel Zeit und Mühe, Ihre wissenschaftlichen Institute große materielle Mittel aufwandten, um eine Folgerung einer Theorie zu prüfen, die in Land Ihrer Feinde während des Krieges vollendet und publiziert worden ist. Wenn es sich bei der Untersuchung des Einflusses des Gravitationsfeldes der Sonne auf Lichtstrahlen auch um ein rein objective Angelegenheit handelte, so drängt es mich doch, den englischen Fachgenossen auch meninen persönlichen Dank für ihr Werk zu sagen, denn ohne dasselbe hätte ich die Prüfung der wichtigsten Konsequenz meiner Theorie wohl nicht mehr erlebt.

Man kann in der Physik Theorien verschiedener Art unterscheiden, Die meiste sind konstructieve Theorien. Diese suchen aus einem relativ einfachen zugrunde gelegten Formalismus ein Bild der klompexeren Erscheinungen zu konstruieren. So sucht die kinetische Gastheorie die mechanischen, thermischen und Diffusionsvorgänge auf Bewegungen der Moleküle zurückzuführen, d.h. aus der Hypothese der Molekularbewegung zu konstruieren. Wenn man sagt, es sei gelungen, eine Gruppe von Naturvorgängen zu begreifen, so meint man damit immer, daß eine konstruktieve Theorie gefunden sei, welche die betreffenden Vorgänge umfaßt.

Es gibt aber neben dieser wichtigsten Klasse von Theorien eine zweite. Ich will sie Prinziptheorien nennen. Diese bedienen sich nicht der synthetischen, sondern der analytischen Methode. Ausgangspunkt und Basis bilden nicht hypothetische Konstruktionselemente, sondern empirisch gefundene, algemeine Eigenschaften der Naturvorgänge, Prinzipien, aus denen dan mathematisch formulierte Kriterien folgen, denen die einzelnen Vorgänge bzw. deren theoretische Bilder zu genügen haben. So sucht die Thermodynamil aus dem allgemeinen Erfahrungsresultat, daß ein Perpetuum mobile unmöglich sei, auf analytischem Weg Bedingungen zu ermittlen, denen die einzelne Vorgänge genügen müssen.

Vorzug der konstruktiven Theorien ist Volständigkeit, Anpassungsfähigkeit und Anschaulichkeit, Vorzug der Prinzipientheorie ist logische Volkommenheit und Sicherheit der Grundlage.

Die Relativitätstheorie gehört zu den Prinziptheorien. Um ihr Wesen zu erfassen, muß man also in erster Linie die Prinzipe kennenlernen, auf denen sie beruht. Bevor ich auf diese eingehe, muß ich aber bemerken, daß die Relativitätstheorie einen Gebäude gleicht, das aus zwei gesonderten Stockwerken besteht, der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie. Die spezielle Relativitätstheorie, auf der die allgemeine ruht, bezieht sich auf alle physikalischen Vorgänge mit Ausschluß der Gravitatition; die allgemeine Relativitätstheorie liefert das Gesetz der Gravitation und deren Relationen zu den andern Naturkräften.

Seit den griechischen Altertum ist es wohl bekant , daß es zur Beschreibung der Bewegung eines Körpers eines zweiten Körpers bedarf, auf welchen die Bewegung des ersten bezogen wird. Die Bewegung eines Wagens wird auf die Erdboden bezogen, die eines Planeten auf die Totalität der sichtbaren Fixsterne. In der Physik nennt man den Körper, auf den man die Vorgänge räumlich bezieht, Koordinatensystem. Es können zum Beispiel die Gezetze der Mechanik von Galilei und Newton nur unter Benutzung eines Koordinatensystems formuliert werden.

Der Bewegungszustand des Koordinatensystems darf aber nicht willkürlich gewählt werden, wenn die Gezetze der Mechanik gelten sollen (er muß "drehungsfrei" und "beschleunigungsdfrei" sein). Man nennt ein in der Mechanik zugelassenes Koordinatensystems ein "Inertialsystem". Der Berwegungszustand eines Inertialsystems ist aber nach der Mechanik kein durch die Natur eindeutig bestimmter. Es gilt vielmehr der Satz: ein relativ zu einem Inertialsystem gradlinig und gleichförmig bewegtes Koordinatsystems ist ebenfalls ein Inertialsystem. Unter dem "speziellen Relativitätsprinzip " versteht man nun die Verallgemeinerung dieses Satzes auf beliebige Naturvorgänge; jedes allgemeine Naturgesetz, das in Bezug auf ein Koordinatsystem K gillt, muß auch unverändert gelten in Bezug auf ein Koordinatsystem K', das relativ zu K in gleichförmiger Translationsbeweging ist.

Das zweite Prinzip, auf dem die spezielle Relativitätstheorie beruht, ist das "Prinzip von der Konstanz der Vacuum-Lichtgeschwindigkeit". Dieses sagt: Das Licht hat im Vacuum stets ein bestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit, unabhängig vom Bewegungszustand und von der Lichtquelle. Das Vertrauen, das der Physiker diesem Satz entgegenbringt, stammt aus den Erfolgen der Maxwell-Lorentzschen Electrodynamik.

Die beiden genannte Prinzipe sind durch die Erfahrung mächtig gestützt, scheinen aber logisch miteinander nicht vereinbar zu sein. Ihre logische Vereinigung gelang schließlich der speziellen Relativitätstheorie durch eine abänderung der Kinematik, d.h. der Lehre von den Gesetzen, die Raum und Zeit - vom physikalischen Standpunkt aus - betreffen. Es zeigte sich, daß die Aussage der Gleichzeitigkeit zweier Ereignisse nur in bezug auf ein Koordinatsystem Sinn habe und die Gestalt von Meßkörpern sowie die Ganggeschwindigkeit von Uhren von deren Bewegungszustand zum Koordinatensystem abhängen müsse.

Die alte Physic inklusive der Galilei-Newtonschen Bewegungsgesetze paßte aber nicht zu der angedeuten relativistischen Kinematik. Aus letzterer flossen allgemeine mathematische Bedingungen, denen die Naturgesetze entsprechen mußten, wenn die beiden genannten allgemeinen Prinzipien wirklich zutreffen sollten. Diesen Mußte die Physik anngepaßt werden. Insbesondere gelangte man zu einem neuen Bewegungsgesetz für rasch bewegten Massenpunkte, das an elektrisch geladenen Teilchen vortrefflich bestätigt wurde. Das wichtigste Ergebnis der speziellen Relativitätstheorie betraf die träge Masse körperlicher Systeme. Es ergab sich, daß die Trägheit eines Systems von seinem Energieeinhalt abhängen müsse, und man gelangte geradezu zur Auffassung, daß träge Masse nichts anderes sei als latente Energie. Der Satz von der Erhaltung der Masse verlor sein Selbständigkeit und verschmolz mit dem von der Erhaltung der Energie.

Die spezielle Relativitätstheorie, die nichts anderes war als eine Fortsetzung der Maxwell-Lorentzschen Elektrodynamik, wies aber über sich selbst hinaus. Sollte die Unabhängigkeit der physikalischen Gesetze vom Bewegungszustand des Koordinatensystems auf gleichförmige Translationsbewegungen der Koordinatensysteme zueinander beschränkt sein? Was hat die Natur mit den von uns eingeführten Koordinatensystemen und deren Bewegungszustand zu tun? Wenn es schon für die Naturbeschreibung nötig ist, sich eines von uns willkürlich eingeführten Koordinatensystems zu bedienen, so sollte die Wahl von dessen Bewegungszustand keiner Beschränkung unterworfen sein (Allgemeines Relativitätsprinzip).

Die durchführung dieses allgemeinen Relativitätsprinzips wird nahegelegt durch eine längst bekannte Erfahrung, nach welcher die Schwere und die Trägheit eines Körpers durch dieselbe Konstante beherrscht werden (Gleichheit der trägen und schweren Masse). Man denke etwa an ein Koordinatensystem, das relativ zu einem Inertialsystem im Sinne Newtons in gleichförmiger Rotation begriffen ist. Die relativ zu diesem System auftretenden Zentrifugalkräfte müssen im Sinne von Newtons Lehre als Wirkungen der Trägheit aufgefaßt werden. Diese Zentrifugalkräfte sind aber genau wie die Schwerkräfte proportional der Masse der Körper. Sollte es da nicht möglich sein, das Koordinatensystem als ruhend und die Zentrifugalkräfte als Gravitationskräfte aufzufassen? Die Auffassung liegt nahe, aber die klassische Mechanik verbietet sie.

Diese flüchtige Überlegung läßt ahnen, daß eine allgemeine Relativitätstheorie die Gesetze der Gravitation liefern muß, und die konsequente Verfolgung des Gedankens hat die Hoffnung gerechtfertigt.

Aber der Weg war schwerer, als man denken sollte, weil er das Aufgeben der euklidischen Geometrie verlangte. Dies bedeutet: Die Gesetze, nach welchen sich die festen Körper im Raume anortnen lassen, stimmen nicht genau überein mit den Lagerungsgesetzen, welche die euklidische Geometrie den Körpern zuschreibt. Dies meint man, wenn man von "Krümmung des Raumes" redet. Die Grundbegriffe "Gerade", "Ebene" usw. verlieren dadurch ihre exakte Bedeutung in der Physik.

In der allgemeinen Relativitätstheorie spielt die Lehre von Raum und Zeit, die Kinematik, nicht mehr die Rolle eines von der übrigen Physik unabhängigen Fundamentes. Das geometrische Verhalten der Körper und der gang der Uhren hängt vielmehr von den Gravitationsfeldern ab, die selbst wieder von der Materie erzeugt sind.

Die neue Theorie der Gravitation weicht in prinzipieller Hinsicht von der Theorie Newtons bedeutend ab. Aber ihre praktischen Ergebnisse stimmen mit denen der Newtonschen Theorie so nahe überein, daß er schwerfällt, Unterscheidungskriterien zu finden, die der Erfahrung zugänglich sind. Solche haben sich bis jetzt gefunden:

  • In der Drehung der Ellipsen der Planetenbahnen um die Sonne (beim Merkur bestätigt).
  • In der Krümmung der Lichtstrahlen durch die Gravitationsfelder (durch die englischen Sonnenfinsternis-Aufnahmen bestätigt).
  • In einer Verschiebung der Spektrallinien nach dem roten Spektralende hin des von Sternen bedeutender Masse zu uns gesandten Lichtes (später ebenfals bestätigt).

Der Hauptreitz der Theorie liegt in ihrer logischen Geschlossenheit. Wenn eine einzige aus ihr geschlossene Konsequenz sich als unzutreffend erweist, muß sie verlassen werden; eine Modifikation erscheint ohne Zerstörung des ganzen Gebäudes unmöglich. Niemand aber soll denken, daß durch diese oder irgendeine andere Theorie Newtons große Schöpfung im eigentlichen Sinne verdrängt werden könne. Seine klaren und großen Ideen werden als Fundament unserer ganzen modernen Begriffsbildung auf dem Gebiet der Naturphilosophie ihre eminente Bedeutung in aller Zukunft behalten.

versie: 5 mei 2006; copyright: Drikus Kleefsman