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Albert Einstein an der Tafel.(Bildnachweis: NASA)

Die spezielle Relativitätstheorie ist mehr als seltsam. Sie besagt unter anderem, dass sich bewegende Uhren langsamer gehen und dass sich bewegende Lineale schrumpfen. Aber wie sollen wir uns das erklären? Um die Physik der Relativitätstheorie zu verstehen, müssen wir ein wenig in der Zeit zurückgehen.

Im Jahr 1865 entdeckte James Clerk Maxwell, dass das, was wir „Licht“ nennen, in Wirklichkeit Wellen aus Elektrizität und Magnetismus sind. Aber wie alle Wellen mussten auch diese Wellen etwas durchdringen. Schallwellen bewegen sich durch die Luft. Meereswellen bewegen sich durch Ozeane. Maxwell glaubte also, dass sich Lichtwellen durch eine Substanz bewegen, die man heute passenderweise den „leuchtenden Äther“ nennt.

Dieser „Äther“ (oder „Ether“) musste einige seltsame Eigenschaften haben. Man konnte ihn nicht fühlen, berühren, riechen oder sonstwie wahrnehmen. Er musste also fast unsichtbar sein, aber auch Licht durchlassen, also musste er existieren. In den späten 1800er Jahren gab es viele Debatten über die Natur des Äthers, und es stellte sich heraus, dass alle falsch lagen.

Aber sie wussten nicht, dass sie falsch lagen, bis ein Wissenschaftlerpaar 1887 beschloss, unsere Bewegung durch den Äther zu messen. Es handelte sich um Albert Michelson von der Case School of Applied Science und Edward Morley von der Western Reserve University, die an der Case Western Reserve University ein Experiment durchführten, das wir heute als Michelson-Morley-Experiment bezeichnen.

Der Grundgedanke ist, dass, wenn der Äther existiert, wir durch ihn hindurchschwimmen und diese Bewegung als eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit wahrnehmen sollten.

Das Michelson-Morley-Experiment versuchte, dies zu messen und scheiterte völlig. Es gab also ein Problem. Licht ist eine Welle, und sie muss sich durch etwas bewegen – den Äther. Aber wir können anscheinend unsere eigene Bewegung durch den Äther nicht messen. Was ist also los?

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Längliche Kontraktionen

Kurz nach dem Michelson-Morley-Experiment bemerkte der Physiker Oliver Heaviside etwas Seltsames: Wenn elektrische Ladungen in Bewegung gesetzt werden, quetschen sich ihre elektrischen Felder ein wenig entlang der Bewegungsrichtung.

Dann kam Hendrik Lorentz, der einen absolut wunderbaren Gedanken hatte: Wenn wir alle aus elektrischen Ladungen bestehen und die Felder schrumpfen, wenn sie sich bewegen, dann schrumpfen wir vielleicht auch, wenn wir uns bewegen. Wir können also keine Änderungen der Lichtgeschwindigkeit aufgrund der Längenkontraktion messen – wenn wir uns durch den Äther bewegen, ändert sich zwar die Lichtgeschwindigkeit, aber auch unser Messgerät, so dass sie sich aufhebt.

Diese Theorie wurde als ziemlich erfolgreich angesehen; sie funktionierte und erklärte alle Daten. Die Materie zerquetscht sich, wenn sie sich aufgrund einiger physikalischer Wechselwirkungen bewegt, und der Äther ist da, aber nicht nachweisbar.

Dann tauchte Einstein auf und stellte eine sehr wichtige Frage: Wenn dieser Äther immer und für immer unauffindbar ist, warum brauchen wir ihn dann? Warum lassen wir nicht zu, dass sich die Dinge von selbst zusammenziehen – nicht, um irgendein experimentelles Ergebnis zu erklären, das uns nicht gefällt, sondern als bloße Tatsache des Universums?

Das ist Einsteins großes Ergebnis. Andere Leute arbeiteten in Richtung Relativitätstheorie, aber niemand schaffte den Sprung, den er tat. Einstein erklärte die Längenkontraktion zu einer Eigenschaft des Universums, nicht zu einem Fehler. Kein Äther mehr, keine Versuche mehr, einen quadratischen elektromagnetischen Stift in ein rundes Ätherloch zu stecken. Längen ziehen sich zusammen, wenn sie sich bewegen. Punkt. Ende der Diskussion.

Einsteins Längenkontraktion war etwas anders als die von Lorentz. Für Lorentz war sie ein physikalischer Effekt, bei dem Dinge zusammengeschoben werden. Für Einstein war sie eine Eigenschaft des Raums selbst, unabhängig von den eigentlichen Objekten. Und diese Erkenntnis ermöglichte Einstein einen weiteren gewaltigen Sprung.

Die Geburt der Relativitätstheorie

Um das Ganze zu ermöglichen, erkannte Einstein, dass es ein Geben und Nehmen geben musste. Die Längenkontraktion – sich bewegende Lineale schrumpfen – reicht allein nicht aus. Man braucht auch die Zeitdilatation – bewegte Uhren gehen langsamer. Diese beiden Faktoren müssen immer zusammenwirken, damit alle Beobachtungen und alle Perspektiven einen Sinn ergeben.

Nehmen wir zum Beispiel das bescheidene Myon, das schwerere Geschwisterchen des Elektrons. Da das Myon massiv ist, hat es eine kurze Lebensdauer – nur 2,2 Mikrosekunden. Wenn energiereiche Teilchen auf Luftmoleküle in der oberen Atmosphäre treffen, erzeugen sie Myonen, die dann auf den Boden zustürzen.

Diese Myonen bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit, aber das ist immer noch nicht schnell genug, damit sie während ihrer kurzen Lebensdauer den Boden erreichen können. Aber die Relativitätstheorie lehrt uns, dass bewegte Uhren langsam laufen – aus unserer Perspektive bleiben die Myonen viel länger bestehen, so dass sie mehr als genug Zeit haben, um die Reise zu machen.

Aber das Myon hat eine andere Perspektive. Aus seiner Sicht erfährt es keine Zeitdilatation, aus der es nur 2,2 Mikrosekunden lang existiert. Wie hat das Myon also genug Zeit, um aus seiner Perspektive den Boden zu erreichen? Die Antwort auf dieser Seite ist die Längenkontraktion – aus der Perspektive des schnellen Myons ist die Entfernung zum Boden viel kürzer, es hat also nicht so weit zu gehen.

Die spezielle Relativitätstheorie ist die mathematische Maschinerie, die wir brauchen, um die Perspektive zu wechseln und alles in Ordnung zu halten. Das Universum mag verrückt sein, aber zumindest folgt es Regeln, die wir verstehen können.