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Relativitätsprinzip

Buchmesse in Leipzig vom 14. - 17. März 2013
A K V Arbeitskreis Kleinere Verlage im Börsenverein des Deutschen Buchhandels

Das Bekannteste aus Einsteins Arbeiten ist sein Relativitätsprinzip. Er selbst ‘relativierte’ das und verwies darauf, dass er doch auch andere vernünftige Dinge herausgefunden habe. Erst kürzlich musste ich wieder anhören, dass er für die Relativitätstheorie den Nobelpreis bekommen hatte. Das ist falsch.1 Aber darauf will ich hier nicht näher eingehen. Ich möchte vielmehr das von ihm im Vergleich zum ortsfesten Koordinatensystem gern an bewegte Objekte »angeheftete Koordinatensystem« mit seiner Relativität in Verbindung bringen.
Fürchten Sie bitte nicht, dass ich den mathematisch-physikalischen Apparat der Allgemeinen Relativitätstheorie erörtern werde. Wir brauchen nicht einmal die mathematische Ableitung der Speziellen Relativitätstheorie. Aber ich treibe die Abstraktion noch weiter als Einstein das tat und bin überzeugt, seine Zielrichtung auch ohne hohe Mathematik begreiflich zu machen. Verständlicher als das mit Formeln möglich ist, die ohnehin nur eine Elite versteht, oftmals mehr schlecht als recht. Das sei kein Angriff gegen die hehre Mathematik. Wo sie erforderlich ist, gibt es kein zuverlässigeres Werkzeug.

 

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Gut ausgebildete Menschen kennen das angeheftete Koordinatensystem. Im Grunde aber kennt jeder die zwei sich daraus ergebenden besonderen Orientierungsformen. Entweder man stellt sein Bewusstsein auf das Innere des Fahrzeugs ein, mit dem man fortbewegt wird und kümmert sich nicht darum, was draussen vorgeht; oder man stellt sich auf die vorüberziehende Umgebung ein. Nun kann man diese Situation allen Beiwerks entkleiden. Folgen Sie mir in Gedanken und lassen alles Konkrete beiseite. Denken Sie an leeren Raum. Am besten an absolutes Vakuum, damit nicht einmal Teilchen verwirren. In diesem leeren Raume befinde sich ein Koordinaten-Dreibein aus x-; y- und z-Achse nebst Zeitmessung. Zuerst stehe es im Verhältnis zu Ihnen still. Es hat die gleiche Bewegung wie Sie selbst. Sie stehen in der Umgebung oder aber Sie sind im Fahrzeug und das Koordinaten-Dreibein ist »an das Fahrzeug mit Ihnen drin angeheftet«. Die Umgebung mit dem ortsfesten Koordinatensystem zieht dann draussen vorbei. Das Ganze erscheint noch drastischer, wenn Sie sich selbst wegdenken: 

Das Koordinaten-Dreibein aus x-; y- und z-Achse sowie Zeitsystem,

bewege sich und der Raum stehe still.
Im entgegengesetzten Falle bewege sich der Raum und

das Koordinaten-Dreibein aus x-; y- und z-Achse stehe still.

Damit Sie jedoch nicht denken, das sei doch ganz egal, ob man das so oder so sehe, erinnere ich Sie an reale Situationen. Sie befinden sich im Innern eines Fahrzeugs und Natur oder Technik sorgen dafür, dass sich die eine Situation ganz plötzlich in die andere verwandle. Das bewegte Koordinatensystem gehe – aus welchen Gründen auch immer – plötzlich in das ruhende über. Das bringt alles durcheinander. Die Geschwindigkeitsdifferenz bestimmt den Grad des Durcheinanders. Das kann blaue Flecken, gebrochene Rippen oder eine Katastrophe und den Tod bedeuten. Wenn Sie das in dieser Deutlichkeit und Einfachheit in Ihr Bewusstsein übernehmen, dann haben Sie schon eine Seite von Einsteins speziellem Relativitätsprinzip verstanden. Ohne mathematische Formeln. Zwei weitere Facetten ergeben sich aus der Geschwindigkeit für bewegte Objekte und für die Signalübermittlung (z. B. von Messdaten), die man sich immer höher denken kann, aber nicht höher als die Lichtgeschwindigkeit.
Auch über die Allgemeine Relativität kann man ohne Mathematik eine vage Vorstellung bekommen. Zum Ersten ist daran zu denken, dass der Lauf der Welt aus einer unermesslichen Zahl von Objekten mit unterschiedlichster Bewegung besteht und dass jedem der bewegten Objekte (oder Individuen) fairerweise ein Eigen-Koordinatensystem zusteht, nicht nur der Referenz-Umgebung mit deren ortsfestem Koordinatensystem (die sich im übrigen selbst ständig verändert) und auch nicht nur dem jeweils einzeln betrachteten Objekt (oder Individuum) wie im obigen Bild. Dieser Gedanke soll nicht verwirren, sondern nur andeuten, wie kompliziert eine Betrachtung wird, wenn man alle Bewegungen einbezieht; einbeziehen muss, damit die allgemeine Aussage Wahrheitswert erlangen kann.
Bewegte Objekte (oder Individuen) haben nicht nur ihre Bewegungsrichtung Vektor
x oder v, sondern auch Höhe und Breite, aber die sind für die Dynamik unwichtig, denn sie bleiben im Eigensystem gleich. Das vereinfacht die angehefteten Koordinatensysteme. Denn es geht ja um die Bewegungen aller Objekte – jedes als Ganzes genommen – im Verhältnis zueinander. Die Allgemeine Relativitätstheorie sieht von den vielen speziellen Eigenschaften der Körper und Teilchen ab. Übrig bleiben Masse, Gravitation und Energie und welche Wirkungen sich im Verlauf der Bewegungen ergeben. Im Übrigen bleibt bei der Allgemeine Relativitätstheorie offen, wie der Experimentator unermesslich viele Einzelwerte aus den Einzel-Koordinaten überhaupt gewinnen und in die Theorie eingehen lassen könnte.
Dann verkompliziert sich alles wieder, wenn man bedenkt, dass jedes Objekt (oder Individuum) auch wieder (wie im Bild) selbst aus unzähligen Teilsystemen besteht bis hin zu den Atomen und Molekülen mit ihren sehr unterschiedlichen Relativbewegungen.
Nach einem solchen Überblick werden ohne mathematische Analyse Schwachstellen der Allgemeine Relativitätstheorie klar. Auch wenn also die Theorie im Grundsatz richtig ist, kann es sich bei ihren Ergebnissen nur um Näherungslösungen handeln. Einstein aber suchte eine strenge und universelle Lösung und äusserte seine Unzufriedenheit.2 Alle massebehafteten Teilchen breiten um sich Gravitation aus. Aber niemand kennt die Quellen der Masse und der Gravitation. Die Allgemeine Relativitätstheorie behandelt die von Teilchen und Körpern nach aussen reichenden Wirkungen und berücksichtigt offenbar nur solche Teilchen und Körper, die eine nicht näher definierte Mindestmasse und Mindestgravitation besitzen. Wie werden Grenzgrössen erfasst? Die Allgemeine Relativitätstheorie baut nicht von unter auf. Der Mikrobereich entzieht sich.
Alle Versuche, wenigstens theoretisch zu den Feldern im Inneren der Teilchen vorzudringen, schlugen fehl.3 Aber man war sich schon früh bewusst, dass auch im Innern von Teilchen Felder vorhanden sein müssen.4 Alle Analogien aus der Makromechanik versagen im Innern der Teilchen. Man ist sich klar, dass Atome nicht analog dem kosmischen Planetensystem aufgebaut sind.5 Aber es hat sich noch kein Modell durchgesetzt, das die inneren Verhältnisse der Teilchen auf andere Weise schlüssig erklärt.
So kommt Einstein schon 1922 und - durch sein zweites Vorwort 1954 bestätigt – auch kurz vor seinem Tode zu dem entscheidenden Schluss, „dass es noch umfassendere und strengere Naturgesetze geben muss, als sie heute Relativitäts- und Quantentheorie formulieren können.”6  - Diese Aussage ist noch immer richtig.
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1) Albert Einstein bekam den Nobelpreis nicht für die Relativitätstheorie, sondern für die richtige Deutung des Photoeffekts (des lichtelektrischen Effekts).
z. B. 24-bändiger Brockhaus, Mannheim 1987-1994, Band 6, Seite 195
2) Albert Einstein: ”C. Ist es denkbar, dass eine Feldtheorie die atomistische und Quantenstruktur der Realität zu verstehen gestattet? Diese Frage wird von fast allen mit »Nein« beantwortet. Ich glaube aber, dass gegenwärtig niemand Zuverlässiges darüber weiss. Dies ist deshalb der Fall, weil wir nicht beurteilen können, in welcher Weise und wie stark die Bedingung der Singularitätsfreiheit die Mannigfaltigkeit der Lösungen reduziert. Wir besitzen ja überhaupt keine Methode, singularitätsfreie Lösungen systematisch abzuleiten. Approximationsmethoden helfen nichts, da man nie weiss, ob zu einer Näherungslösung eine singularitätsfreie strenge Lösung gehört. Aus diesem Grunde können wir gegenwärtig den Gehalt einer nichtlineraren Feldtheorie nicht mit den Erfahrungen vergleichen. Nur ein bedeutender Schritt in den mathematischen Methoden kann hier helfen. Gegenwärtig herrscht die Meinung vor, dass eine Feldtheorie durch »Quantisierung« erst in eine statistische Theorie von Feldwahrscheinlichkeiten verwandelt werden müsse, nach mehr oder weniger festgelegten Regeln. Ich sehe aber in dieser Methode nur einen Versuch, wesentlich nichtlineare Gesetzmässigkeiten durch lineare Methoden zu beschreiben.”
„Grundzüge der Relativitätstheorie – Vier Vorlesungen über die Relativitätstheorie“, Vorworte Einsteins vom Jan. 1922 und Dez.1954, Vieweg&Sohn Braunschweig 1956 / Pergamon Press Oxford 1969/73 / Akademie-Verl. Berlin 1979, 5. Aufl. (Hsg: Holzmüller / Reichard / Lösche / Treder), Wissenschaftliche Taschenbücher, Mathematik / Physik, Seiten 162/163
Copyright © 1956 by Estate of Albert Einstein, Otto Nathan, Executor, 55 East 10th Street, New York, N. Y. / USA
3) Albert Einstein: ”Der Miesche Versuch, die Feldgleichungen so zu ergänzen, dass sie auch im Innern der Elektronen gelten, hat bisher zu keinem brauchbaren Ergebnis geführt.”
Akademie-Vorträge, Wiederabdruck der Akademie der Wissenschaften der DDR, Akademie-Verlag Berlin 1979, Sitzungsbericht, 13. Dezember 1923, Seite 26
4) Albert Einstein / Mayer: ”Diese Gleichungen erlauben keine von null verschiedene elektrische Massen- und Stromdichte, können daher im Innern elektrischer Korpuskeln nicht gültig sein … Eine befriedigende Feldtheorie muss aber nach unserer Überzeugung mit einer singularitätsfreien Beschreibung des Gesamtfeldes also auch des Feldes im Innern der Korpuskeln, auskommen.”
Akademie-Vorträge, Wiederabdruck der Akademie der Wissenschaften der DDR, Akademie-Verlag Berlin 1979, Sitzungsbericht. von 1932, XII, Seite 3
5) ”Unverständlich ist die Stabilität des Atoms überhaupt. Nach der klassischen Elektrodynamik strahlt eine beschleunigte Ladung, also auch das sich im Kreis bewegende Elektron, beständig Energie ab. Das Atom müsste als elektrischer Dipol wirken, und das Elektron, durch die Energieabgabe auf immer kleinerem Bahnradius kreisend, nach kurzer Zeit auf den Kern treffen.”
WEIssMANTEL / LENK (Hsg): „Atom - Kleine Enzyklopädie Struktur der Materie“, Leipzig 1970 / 1982, Seite 25
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Bohrsches Atommodell: Nach Bohrs Hypothesen laufen Elektronen auf ihren Bahnen strahlungsfrei um. Ihr Drehimpuls ist ein ganzzahliges Vielfaches der Planck-Konstante . Die Elektronen können nur durch Absorption eines Quants h auf eine höhere,* energiereichere Bahn springen d.h. von der Bahn mit der Energie E2 auf die mit der Energie E1 (E2 - E1 = h n )
.

Die nebenstehende Abbildung zeigt einen aussichtslosen Versuch, makrophysikalische Erfahrung auf mikrophysikalische Vorgänge zu übertragen. Ein um den Atomkern kreisendes Elektron stehe im Gleichgewicht zwischen Coulombkraft und Fliehkraft. Das Ganze sollte die Bohrschen Postulate stützen. Heute ist das als falsch erkannt. Aber an seine Stelle ist keine einleuchtendere Alternative getreten. Man verweist verschwommen auf ‘quantenphysikalische Verhältnisse‘. Was das mehr sein soll als nur die Unterteilung der Vorgänge in Quanta, kann niemand sagen, und diese Unterteilung allein liefert keine universelle Grundlage für das vielseitige Erscheinungsbild atomarer und molekularer sowie im Atomkern herrschender Phänomene.          *) energiereicher, aber nicht höher, sondern je weiter aussen, desto energieschwächer
Peter Rennert (Hsg): “Kleine Enzyklopädie Physik”, Leipzig 1986, Seite 282, Abb. 5.6.1-1
6) Hans-Jürgen Treder: “Einstein bemerkte, dass eine physikalische Theorie nicht nur in der Lage sein muss, das physikalische Geschehen korrekt darzustellen, sondern, dass sie - im Gegensatz zu einer rein mathematischen Theorie - auch so aufgebaut sein muss, dass sie gerade nur die Struktur des realen Kosmos und nichts darüber hinaus enthält. Die Physik muss nach Einstein genau die wirkliche Welt abbilden und darf darüber hinaus nichts über Dinge aussagen, die es in der Realität nicht gibt. Die heutige Quantenphysik enthält auch eine Vielzahl von physikalisch nicht verständlichen Strukturen.
So gelangte Einstein schliesslich zu dem Ergebnis, dass es noch umfassendere und strengere Naturgesetze geben muss, als sie heute Relativitäts- und Quantentheorie formulieren können.”
Albert Einstein: Akademie-Vorträge, Wiederabdruck der Akademie der Wissenschaften der DDR, Akademie-Verlag Berlin 1979, 14 N/1975, Seite 4

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