Relativitätstheorie aktuell: Ein Beitrag zur Einheit der Physik

227 Pages·1996·2.35 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. habil. Ernst Schmutzer (auth.)

Ernst Schmutzer
Relativitatstheorie
aktuell
Albert Einstein, Portriit von H. Lasko. 1978
Relativitatstheorie
aktuell
Ein Beitrag zur Einheit der Physik
Von Prof. Dr. rer. nat. habil. Ernst Schrnutzer
Universitat Jena
5., uberarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 30 Abbildungen
83
B. G. Teubner Stuttgart 1996
Die Deutsche Blbliothek - CIP-Elnheitsaufnahme
Schmutzer, Ernst:
Relatlvitatstheorle aktuell : ein Beitrag zur Elnhelt der Physik 1
Emst Schmutzer. - 5., Oberarb. und erw. Auf!. - Stuttgarl :
Teubner, 1996
(Teubner-StudlenbOcher: Physik)
ISBN-13: 978-3-519-03226-7 e-ISBN-13: 978-3-322-80113-5
001:10.10071 978-3-322-80113-5
Umschlagbild nach einem Portrat von H. Lasko
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o
B. G. Teubner Stuttgart 1996
Satz: Schrelbdlenst Henning Heinze, NOmberg
Vorwort zur 5. Auflage
Dieses Buch, das zum 100. Geburtstag Albert Einsteins im Jahr 1979 in der
Reihe Mathematisch-Naturwissenschaftliche Bibiliothek bei der Teubner
Verlagsgesellschaft Leipzig erschien, erlebte in kurzer Zeit vier Auflagen.
Die 5. Auflage wird nun als Teubner-Studienbuch yom Verlag B. G. Teubner
Stuttgart herausgebracht. Ich verfolgte mit ihm das Ziel, das im wesentli
chen von Einstein geschaffene Gesamtgebaude der Relativitatstheorie, die
neben der Quantentheorie das Fundament der modernen Physik bildet, ei
nem breiten Leserkreis verstiindlich zu machen. Das Anliegen der Populari
sierung dieses Wissensgebietes ist wegen seines Einflusses auf die Formung
des wissenschaftlichen Weltbildes unserer Zeit besonders angezeigt.
Dem Buch habe ich eine Kurzbiographie Einsteins vorangestellt, urn dem
Leser diesen hervorragenden Wissenschaftler und Menschen mit seinen un
vergiinglichen Leistungen naherzubringen. Der sachliche Inhalt beginnt mit
dem Physikverstiindnis Galileis und Newtons als Vorbereitung zur Rela
tivitatstheorie, die dann allgemeinverstandlich dargelegt wird. Die Konse
quenzen der Relativitatstheorie werden bis zur Kosmologie unserer Tage und
bis zu den neuen exotischen Himmelsobjekten (Quasare, Pulsare, Schwarze
Locher usw.) verfolgt. Den Stand der experimentellen Bestatigung der Re
lativitatstheorie erlautere ich anhand der Mefidaten aus den letzten Jahren.
In dieser Auflage habe ich den Erkenntnisstand aktualisiert und das Schluf3..
kapitel zur Einheit der Physik betrachtlich erweitert. Aufierdem wurden die
Formeln in das Internationale Einheitensystem umgeschrieben.
Die Darstellung des Stoffes ist weitgehend verbal gestaltet, wobei vor al
lem auf die logischen Zusammenhiinge Wert gelegt wird. Mathematische
Formulierungen werden nur in Einzelfiillen skizziert, besonders dann, wenn
dadurch fUr den Leser prinzipielle Querverbindungen transparent werden
oder damit weitreichende Schliisse verbunden sind. Doch kann das Ideengut
der Relativitatstheorie auch ohne diesen Formelgebrauch verstanden wer
den, so daB von Fall zu Fall das Uberschlagen mathematischer Einschiibe
empfohlen wird.
6 Vorwort
Das Buch ist an folgenden Leserkreis adressiert: Naturwissenschaftler und
Philosophen im allgemeinen sowie Studenten, Lehrer und Wissenschaftler
auf den Gebieten Physik, Mathematik, Chemie und Technik im besonderen.
Zu groBem Dank verpflichtet bin ich Herrn Dr. P. Spuhler vom Verlag fur viel
Verstandnis und Entgegenkommen und Dr. W. Meinhardt fUr die geleistete
technische Hilfe.
Jena, Juni 1995 Ernst Schmutzer
Inhalt
Kurzbiographie Albert Einsteins 11
1 Vorrelativistische Physik 21
1.1 Das Physikverstandnis von Aristoteles und Galilei . . . . . .. 21
1.2 Newtonsche Mechanik und Gravitationstheorie: Newtons Auf
fassung von Raum und Zeit, Grundgesetze der mechanischen
Bewegung und der Gravitation. . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
1.3 Inertialsystem und Nichtinertialsystem, Galileisches Relati-
vitatsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4 Maxwellsche Theorie des Elektromagnetismus . . . . . . . .. 42
1.5 Die Krise in der Newtonschen Mechanik und in der Elektro
magnetik-Optik am Ende des 19. Jahrhunderts. Das Michel
son-Experiment uncl cler Zusammenbruch cler Atherhypothese 47
2 Weitere Experimente zur Vorbereitung oder Bestatigung der
Speziellen Relativitatstheorie 56
2.1 Astronomische Aberration 56
2.2 Doppler-Effekt . . . . . 58
2.3 Trouton-Noble-Versuch 59
2.4 Wienscher Versuch .. 59
2.5 Fizeauscher Mitfiihrungsversuch 60
2.6 Messung cler Lebensdauer von Myonen 61
2.7 Sagnac-Versuch. . . . . 61
2.8 Michelson-Gale-Versuch . 62
3 Speziell-relativistische Physik 63
3.1 Die VorUiufer cler Speziellen Relativitatstheorie ........ 63
3.2 Das Spezielle Relativitatsprinzip und die Lorentz-Transforma-
tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66
8 Inhalt
3.3 Die Entdeckung der Vierdimensionalitat der Raum-Zeit (Min-
kowski-Raum ........................... 72
3.4 Speziell-relativistische Theorienbildung: Mechanik, Elektro-
magnetik und Quantenmechanik . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5 Einige Folgerungen aus der Speziellen Relativitatstheorie 84
3.5.1 Speziell-relativistische Langenkontraktion . 84
3.5.2 Speziell-relativistische Zeitdilatation . 87
3.5.3 Relativierung der Gleichzeitigkeit 88
3.5.4 Kausalitat der Zeitfolge. . 89
3.5.5 Zwillingsparadoxon . . . . 89
3.5.6 Veranderlichkeit der Masse 92
3.5.7 Masse-Energie-Relation . . 94
3.5.8 Additionstheorem der Geschwindigkeiten 97
3.6 Die Grenzen der Speziellen Relativitatstheorie 98
4 Allgemein-relativistische Physik 101
4.1 Einsteins Weg zur Allgemeinen Relativitatstheorie . 101
4.2 Das Wesen der Allgemeinen Relativitatstheorie 114
4.2.1 Zum Schopfungsproze6 gro6er Theorien . . 114
4.2.2 Allgemeines Relativitatsprinzip ......... 115
4.2.3 Gravitation als Kriimmung der Raum-Zeit . . . 121
4.2.4 Problem der Absolutheit von Beschleunigung und Rotation. 123
4.2.5 Machsches Prinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 125
4.2.6 Die Relativitatstheorie in einem logischen Schema ihrer Be-
standteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3 Einige Folgerungen aus der Einsteinschen Gravitationstheorie 131
4.3.1 Problem der exakten Losungen 131
4.3.2 Schwarzschild-Losung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.3.3 Periheldrehung der Planeten . . . . . . . . . . . . . . 135
4.3.4 Ablenkung elektromagnetischer Wellen an der Sonne 137
4.3.5 Gravitative Frequenzverschiebung bei einer elektromagneti-
schen Welle ......... 139
4.3.6 Hafele-Keating-Experiment . 142
4.3.7 Shapiro-Experiment. . . . 144
4.3.8 Quasare .......... 146
4.3.9 Pulsare, Neutronensterne 149
4.3.10 Schwarze Locher . . . . . . 152
Inhalt 9
4.3.11 Gravitationswellen ....... . 158
4.4 Kosmologie. . . . . . . . . . . . . 166
4.4.1 Zur Vorgeschichte der Kosmologie 166
4.4.2 HubbIes Entdeckungen: Approximative Homogenitat und Iso-
tropie, kosmologische Rotverschiebung und Weltexpansion 169
4.4.3 Thermische Hintergrundstrahlung . . . . . . . . . . . 171
4.4.4 Friedman-Modell des Kosmos ............. 172
5 Symmetrie und Erhaltung in der Relativitiitstheorie 184
5.1 Das Wesen physikalischer Erhaltungssatze .... . . 184
5.2 Erhaltungssatze in der Speziellen Relativitatstheorie 187
5.3 Erhaltungssatze in der Allgemeinen Relativitatstheorie 188
6 Zur Einheit der Physik 192
6.1 Allgemeine Gesichtspunkte 192
6.2 Die Elementarteilchen und die vier fundamentalen Wechsel-
wirkungen ............................. 196
6.3 Einheitliche Feldtheorie in der 4-dimensionalen Raum-Zeit . . 199
6.4 Einheitliche Feldtheorie yom Kaluza-Klein-Typ in einem 5-
dimensionalen Raum mit Riemannscher Geometrie ...... 201
6.5 Einheitliche Feldtheorie in einem 5-dimensionalen projektiven
Raum ... 203
6.6 Ausklang .206
Literatur 215
Sachverzeichnis 217
Namensverzeichnis 221
Kurzbiographie Albert Einsteins
Die Menschheit in ihrer historischen Gesamtheit hat - wenn leider auch oft
durch Krieg und Verwustung unterbrochen - ein einzigartiges Werk der Kul
tur geschaffen, in der die Wissenschaft eine zentrale Stellung einnimmt. Was
dabei den Anteil der Naturwissenschaft betrifft, so konzentrieren sich viele
ihrer Grundsatzfragen bis hin zur philosophischen Fundierung auf prinzi
pielle Aussagen der Physik.
Das globale Erkenntnisgebaude der Physik im weitesten Sinne - als Grund
lagenwissenschaft der anorganischen Natur inklusive ihrer Anwendungsfunk
tion in der Technik (ohne Aufhebung ihrer Grundgesetze in der organischen
Natur) - ist das Resultat eines standigen Wechselwirkungsprozesses von
Theorie und Praxis. Bald wirkt die eine Komponente als Triebkraft der
Entwicklung, bald die andere - oft sogar beide untrennbar gemeinsam - mit
dem Ziel, die uns umgebenden Ratsel in der Natur zu entschleiern.
Albert Einstein, ebenburtig neb en Galileo Galilei und Isaac Newton, ziihlt
zu den herausragenden GroBen der Physik. Die Originalitat seiner Ideen hat
die Physik und daruber hinaus das naturwissenschaftliche Weltbild un serer
Zeit entscheidend gepragt. Die praktischen Konsequenzen fur die folgenden
Jahrhunderte sind noch nicht abzusehen.
Albert Einstein als Gesamtpersonlichkeit - Physiker, Philosoph und Huma
nist - ist fUr uns noch aus einem ganz besonderen Grund ein leuchten
des Vorbild: Er war nicht nur SchOpfer tiefgrundiger Erkenntnis, sondern
auch bewuBter Trager der Verantwortung fUr die gesellschaftlichen Belan
ge wissenschaftlicher Erkenntnisse. Er besaB ein stark ausgepragtes soziales
Empfinden, das, maBgeblich durch seine negativen Kindheits- und Jugend
erlebnisse mitbestimmt, ihm zeit seines Lebens KompaB war. Trotz hochster
Ehrungen, die ihm laufend zuteil wurden, lieB er sich durch diese nicht sei
nen Geist vernebeln, sondern blieb ein humorvoller, einfacher, geradliniger
Mensch, der einen scharfen, untrugerischen Blick fur Unfreiheit, Unrecht
und Unterdruckung hatte.
Vor vielen prominenten Zeitgenossen zeichnete Einstein insbesondere die
Einheit von Erkenntnis und Tat aus. Er sah nicht nur die kritikwurdigen