Einstein, Quantenspuk und die Weltformel (German Edition)

James Clerk Maxwell hatte bereits im Jahr 1864 an der Royal Society seine „Maxwellschen Gleichungen“ veröffentlicht. Eine äusserst bedeutsame Theorie, die das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern sowie ihre Wechselwirkung mit der Materie beschreibt. Der springende Punkt: Maxwell postulierte schwingende elektrische und magnetische Felder (heute besser bekannt als „elektromagnetische Wellen“), die sich allesamt mit einer konstanten Geschwindigkeit fortbewegen. Einer Geschwindigkeit, die er mit den damals verfügbaren Mitteln auf rund 310‘740 Kilometer pro Sekunde berechnete. Dieser Wert lag so nahe bei der vermuteten Lichtgeschwindigkeit, dass Maxwell die damals kühne Vermutung anstellte, auch Licht könnte eine elektromagnetische Welle sein. Elektromagnetische Wellen bewegen sich im Vakuum aber immer gleich schnell, werden nie langsamer und stehen auch nie still. Damit offenbarte sich ein krasser Widerspruch zur klassischen Annahme, wonach die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen einem Betrachter und dem Licht kleiner wird, je schneller sich der Betrachter bewegt. Wenn die Lichtgeschwindigkeit aber von der eigenen Bewegung abhängt, sind die Naturgesetze nicht überall gleich, da sich die Lichtgeschwindigkeit entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit ändert und somit nicht konstant ist. Viel mehr müsste es in diesem Fall ein bevorzugtes Bezugssystem geben, gewissermassen einen Blickwinkel im Universum, der gegenüber allen anderen Blickwinkeln bevorzugt ist. Ein Blickwinkel, in dem die Naturgesetze in unveränderter Form gelten, in dem beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Ein solcher Blickwinkel wäre der Äther. Die Physik stand also vor einem grossen Widerspruch: Einerseits postulierte die vielversprechende Theorie von Maxwell die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, andererseits verlangte die klassische Physik nach einem Äther, einem absoluten Bezugssystem, wodurch die Naturgesetze aber nicht überall gleich gelten, da die Lichtgeschwindigkeit beispielsweise relativ zu einem schnellen Raumschiff langsamer wird.
    8 In der klassischen Physik ist die Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit möglich. Erst die spezielle Relativitätstheorie erkennt, dass es prinzipiell nicht möglich ist, eine Masse auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.
    Aber könnte es nicht auch sein, dass die Theorie von Maxwell falsch ist und die klassische Annahme richtig? Dadurch würde sich der Widerspruch doch in Luft auflösen?
    Nein, denn ob eine Theorie richtig ist oder falsch, kann im Endeffekt nur durch Experimente bewiesen werden. Eine Theorie, die auf dem Papier noch so schön und elegant formuliert ist, darf nicht als richtig anerkannt werden, wenn sich ihre Vorhersagen und Thesen in der Realität nicht bestätigen. Ansonsten wäre die Wissenschaft eine Ansammlung willkürlicher Gesetze ohne Aussagekraft über die Natur. Die klassische Physik beruht auf der Existenz des Äthers. Das Michelson-Morley-Experiment aber hatte gezeigt, dass sich beim Versuch, eine Abweichung der Lichtgeschwindigkeit durch den Ätherwind zu messen, ein Nullresultat ergeben hatte. Folglich gibt es keinen Äther und damit kein absolutes Bezugssystem. Demnach würde die Lichtgeschwindigkeit in jedem Bezugssystem gleich bleiben. Ein gewichtiges Indiz für Maxwell, der bekanntlich postulierte, dass elektromagnetische Wellen und damit auch das Licht sich immer mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Einstein nahm sich diesem Widerspruch zwischen klassischer Sicht und dem Maxwellschen Elektromagnetismus an und löste diesen in der speziellen Relativitätstheorie mit zwei grundlegenden Aussagen: Dem Postulat der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und dem Relativitätsprinzip, wonach alle Bezugssysteme gleichberechtigt sind. Oder vereinfacht ausgedrückt: Egal, was Sie tun, das Licht bewegt sich immer und überall mit Lichtgeschwindigkeit beziehungsweise die Naturgesetze gelten überall und immer gleich. Aus diesen unverdächtigen Postulaten sollten schliesslich einige der spektakulärsten Phänomene der Physik erwachsen.
2.1.1 Die Einstein Postulate
    Das erste Postulat der speziellen Relativitätstheorie besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Licht breitet sich im Vakuum immer mit demselben Tempo aus, nämlich der Lichtgeschwindigkeit. Diese beträgt rund 300‘000 Kilometer pro Sekunde und legt damit in einer Sekunde die Distanz zwischen Mond und Erde zurück, für die unsere schnellsten Raketen über zehn Stunden