Einsteins Postulate

Die Postulate von Einstein

Hallo und herzlich Willkommen zu unserem Video über Einsteins Postulate.

Albert Einstein ist eine Ikone der Physik, der am Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts mit seinen Relativitätstheorien, der Speziellen und der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Grundfesten der Physik erschütterte. Unter anderem veröffentlichte er die berühmteste Formel der Welt E gleich m mal c quadrat. Aber was hat Einstein denn nun wirklich vollbracht?

Wir werden uns mit den zwei Postulaten aus der sogenannten speziellen Relativitätstheorie beschäftigen, mit denen alles anfing. Hierzu wiederholen wir zunächst das Relativitätsprinzip nach Galilei, die Äthertheorie und das Michelson-Morley-Experiment.

Darauf aufbauend können wir dann Einsteins Postulate, nämlich das Relativitätsprinzip und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit erklären. Zum Schluss wollen wir deutlich machen, welche Konsequenzen sich aus Einsteins Postulaten ergeben. Der berühmte Universalgelehrte Galileo Galilei formulierte 1632 eine wichtige Beobachtung: Die physikalischen Gesetze der Mechanik sind für einen ruhenden Beobachter die gleichen, wie für einen Beobachter, der sich gleichmäßig geradlinig bewegt.

Galileo formulierte dies am Beispiel eines Schiffes auf ruhiger See, in dessen Bug wir eingeschlossen sind: Solange wir nicht nach draußen schauen können, werden wir mithilfe physikalischer Experimente nicht unterscheiden können, ob das Schiff ruht oder sich gleichförmig geradlinig bewegt - egal, ob wir etwas werfen oder Wasser in eine Schüssel tropft. Insbesondere gibt es für uns keine Möglichkeit die Richtung der Bewegung festzustellen.

Das Galilei’sche Relativitätsprinzip war eine wichtige Erkenntnis auf dem Weg zu Einsteins Relativitätstheorie. Trotzdem wurden Theorien entwickelt, die gegen dieses Prinzip verstießen - zum Beispiel die Äthertheorie.

Der britische Physiker James Clerk Maxwell zeigte 1864, dass sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Seine Maxwell’schen Gleichungen enthielten bereits sie Lichtgeschwindigkeit als Konstante.

Hieraus ergab sich die natürliche Frage, worin sich diese Wellen ausbreiten? Wasserwellen breiten sich durch Schwingungen der Wassermoleküle aus. Bei Schallwellen schwingen die Moleküle der Luft. Wasser und Luft sind hier das Medium dieser Wellen. Aber worin schwingen elektromagnetische Wellen? Was ist hierfür das Medium?

Die Wissenschaftler im 19. Jahrhundert wussten es nicht, postulierten aber, dass es ein Medium geben müsse. Dieses bezeichneten sie als den Äther. Albert Abraham Michelson und Edward Williams Morley wollten die Existenz dieses Äthers bestätigen.

Sie nahmen an, dass die Bewegungen von Erde und Sonne in unserer Galaxie dazu führen müssten, dass es einen Ätherwind geben müsste. Das würde aber bedeuten, dass die Geschwindigkeit des Lichts abhängig davon ist, in welcher Richtung relativ zum Ätherwind es sich ausbreitet, genauso wie der Wind die Ausbreitung des Schalls beeinflusst.

Das Michelson-Morley-Experiment im Jahr 1887 sollte diese unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Ausbreitungsrichtungen messen. Das Resultat: Die Lichtgeschwindigkeit war in allen Richtungen konstant. Dies verblüffte die Fachwelt und es fehlte an einer einleuchtenden Erklärung.

Doch dann veröffentlichte Albert Einstein 1905 seine spezielle Relativitätstheorie. Basierend auf zwei Postulaten. Sein erstes Postulat besagt, dass die physikalischen Gesetze in allen Intertialsystemen identisch seien. Inertialsysteme sind dabei alle Beobachter, die sich geradlinig gleichförmig relativ zueinander bewegen. Sein Postulat besagt damit insbesondere, dass die Begriffe “bewegt” und “ruhend” relativ sind. Ähnlich wie Galileis Relativitätsprinzip. Allerdings umfasst es alle physikalische Gesetze.

So auch Maxwells Theorie elektromagnetischer Phänomene. Hierzu ein Beispiel: Wenn sich ein geladenes Teilchen durch ein Magnetfeld bewegt, so wird es abgelenkt. Was passiert aber für einen Beobachter, der sich mit dem Teilchen mitbewegt? Für diesen bewegt sich das Teilchen nicht und kann also auch nicht von einem Magnetfeld abgelenkt werden.

Stattdessen sagt die spezielle Relativtätstheorie für den mitbewegten Beobachter voraus, dass er ein elektrisches Feld messen wird. Für ihn ist nicht das magnetische, sondern das elektrische Feld für die Ablenkung verantwortlich. Natürlich stimmen aber beide Beobachter darin überein, dass sich das Teilchen nach oben bzw. nach unten bewegt, ja nachdem welche Ladung es trägt.

Die physikalischen Gesetze machen also für beide Beobachter die korrekte Vorhersage. Einsteins zweites Postulat fasst in einem Satz das Ergebnis des Michelson-Morley-Experimentes zusammen. Es lautet: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt in allen Inertialsystemen 299 Millionen 792 Tausend 458 Meter pro Sekunde.

Die besondere Leistung Einsteins bestand darin, dass er aus diesen zwei Postulaten eine konsistente Theorie herleiten konnte: die spezielle Relativitätstheorie. Diese stand vollkommen im Einklang mit der Beschreibung mechanischer und elektromagnetischer Phänomene ist. Dazu waren natürlich die Leistugen von Michelson, Morley, Maxwell und anderen Wissenschaftlern die Grundlage.

Aus Einsteins Theorie ergaben sich bemerkenswerte Konsequenzen: Die Lichtgeschwindigkeit muss die größte mögliche Geschwindigkeit für die Bewegung von Körpern und Energie sein. Selbst Informationen können sich nicht schneller als das Licht ausbreiten.

Als zweites ist natürlich die Äquivalenz von Masse und Energie zu nennen, die wohl berühmteste Formel der Welt: E gleich m mal c quadrat. Einsteins Relativitätstheorie erschütterte die Grundfesten der klassischen Physik und wird oft als erste Theorie der modernen Physik bezeichnet. Sie ersetzte das Newtonsche Bild eines absoluten Raums und einer unabhängigen, absoluten Zeit, die für alle Beobachter gleich schnell vergeht. Stattdessen werden Raum und Zeit gemeinsam in einer Einstein’schen Raumzeit beschrieben. Und Längen- und Zeitabstände sind relativ, d.h sie hängen davon ab, in welchem Inertialsystem sie gemessen werden.

Einstein stellte jedoch bald fest, dass die spezielle Relativitätstheorie im Widerspruch mit der Newton’schen Gravitationstheorie stand. Diesen Widerspruch konnte Einstein erst zehn Jahre später im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie auflösen.

Fassen wir die Entstehung von Einsteins Postulaten einmal zusammen: Galileis Relativitätsprinzip von 1632 besagte: Die physikalische Gesetze der Mechanik sind in allen gleichförmig geradlinig zueinander bewegten Bezugssystemen gleich.

Um elektromagnetische Wellen wie Licht zu beschreiben, entwickelte man im 19. Jahrhundert die Äthertheorie, nach der Lichtgeschwindigkeit auf der Erde von der Ausbreitungsrichtung abhängt. Michelson und Morley konnten jedoch in ihrem Experiment 1887 zeigen, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Erst Einstein konnte eine zufriedenstellende Erklärung liefern und stelle zwei Postulate auf, aus denen er die spezielle Relativitätstheorie ableitete.

Wirklich eine beeindruckende Leistung. Tschüss und bis zum nächsten mal.