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Albert Einstein und das Licht

Albert Einstein , geboren 1879 in Ulm, war wohl der bedeutendste Physiker der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Seine Allgemeine Relativitätstheorie, die ein umfassendes Verständnis der Gravitation 300 Jahre nach Newton lieferte, machte ihn weltberühmt. Während einer Sonnenfinsternis wurde damals die Ablenkung der Lichtstrahlen im Gravitationsfeld der Sonne gemessen. Die Ablenkung entsprach dem vorausberechneten Wert der Allgemeinen Relativitätstheorie und nicht dem der Gravitationstheorie Newtons.

Der erste erfolgreiche Test der AR war ein großer Erfolg Einsteins. Einstein war ein Meister des Gedankenexperiments, und er war überzeugt von der Kraft der Symmetrie.

Für die Erklärung des Photoelektrischen Effekts 1905 bekam er erst 1929 den Nobelpreis. Er übertrug die Quantenhypothese Plancks auf das Licht und postulierte Photonen, die Elementarteilchen des Lichts. Die Energie der Photonen wächst dabei proportional mit der Frequenz des Lichts und die Proportionalitätskonstante ist h .

Mit seiner Speziellen Relativitätstheorie bestieg der Berner Patentamtsangestellte III-er Klasse 1905 die Bühne der Physik und zerschlug den Gordischen Knoten der Äthertheorien des 19. Jahrhunderts. Die Hauptaussagen der SR sind :

Zeitintervalle und Raumabstände sind abhängig vom Bewegungszustand des Beobachters.

Bewegte Uhren gehen langsamer, bewegte Maßstäbe werden kürzer und bewegte Massen werden schwerer. Die Zeit wird die 4. Dimension der Raumzeit.

Nur ein Mann außerhalb akademischer Traditionen, Hierarchien und persönlicher Abhängigkeiten, ohne Angst seinen wissenschaftlichen Ruf zu verlieren, konnte diese Gedanken zu Ende denken.

Ausgangspunkt seiner Symmetrieüberlegungen war die experimentell festgestellte Konstanz der Lichtgeschwindigkeit durch Michelson & Morley, unabhängig vom Bewegungszustand der Erde im vermeintlichen Ätherwind.

Eine einfache Gleichung verknüpft die Zeitkoordinaten mit den Ortskoordinaten in Abhängigkeit von der Bewegung. Davon abgeleitet ist die Abhängigkeit der Masse von der Geschwindigkeit und die wohl berühmteste Gleichung des 20. Jahrhunderts :

E= m c²

In den folgenden 10 Jahren nach Veröffentlichung der SR wandte Einstein das Relativitätsprinzip auf die allgemeine beschleunigte Bewegung an und schuf die Allgemeine Relativitätstheorie. Er ließ sich

Dabei von der Beobachtung leiten, dass im Experiment die träge Masse exakt gleich der schweren Masse ist, ohne dass diese Beobachtung bisher in einem physikalischen Prinzip zum Ausdruck gebracht wurde.

Ein vom Dach fallender Dachdecker, der sich bei seinem Stur schwerelos fühlte, soll Einsteins Gedankengänge angestoßen haben. Einstein erhielt das Ergebnis : Nicht nur Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit verändern die Maßstäbe von Raum und Zeit, sonder auch schwere Massen.

Wheeler fasste die Prinzipien der AR in einem einfachen Satz zusammen :

Die Materie krümmt die Raumzeit und

die Raumzeit greift die Materie.

Einstein bediente sich dabei der neu von Riemann entwickelten nichteuklidischen Geometrie, um die Krümmung der Raumzeit darzustellen. Bei dieser Geometrie gilt nicht das Parallelen-Axiom . Parallel verlaufende Geraden können sich in einem Punkt treffen, wie Längskreise am Nordpol , oder sie können auseinanderdriften.

Einstein berechnete mit seiner Theorie erstmals erfolgreich die Perihel-Drehung des Merkur. Die Abweichung von der Theorie Newtons war 300 Jahre lang ein nicht gelöstes Rätsel der Physik.

1916 gelang Schwarzschild, kurz bevor er an der Westfront den Soldatentod für sein Vaterland starb, eine erste Lösung der zehn komplizierten Gleichungen der AR. Er berechnete die Singularität, die nach ihm benannt wurde. Später hat man für diese superschwere Ansammlung von Masse in der Singularität , an der sie Raumzeit endet, das Wort „ Schwarzes Loch „ geprägt.

Friedman wendete später die Gleichungen der AR auf das Weltall an und fand die Lösungen mit positiver, negativer und flacher Raumzeitkrümmung. Das Vakuum krümmt die Raumzeit nach außen, die Massen krümmen die Raumzeit nach innen und das Licht folgt der flachen Raumzeit.

Die AR ist eine Erweiterung der Gravitationstheorie Newtons für große Massen und große Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Sie ist unvollständig. Sie ist eine stetige klassische Theorie und berücksichtigt nicht die Sprünge der Quantentheorie. Die Physiker sind überzeugt, die Natur macht Sprünge. Eine weiterentwickelte AT, die auch die Singularitäten großer Massen beschreibt, muss quantisierbar sein. Hierin sind sich die Physiker einig.

Beide Gravitationstheorien können ein großes Rätsel der letzten 10 Jahre nicht lösen, das Geheimnis der Dunklen Materie. Die Rotationskurven der leuchtenden Sterne um das galaktische Zentrum widersprechen den Gesetzen Newtons und Einsteins. Sterne auf den äußeren Bahnen haben die gleiche Geschwindigkeit wie Sterne auf den inneren Bahnen. Nach heutigem Verständnis werden die äußeren Sterne durch eine unsichtbare Gravitationswirkung auf ihrer Bahn gehalten. Diese zusätzliche Gravitationswirkung schreibt man dunkeler nichtbaryonischer exotischer Materie zu. Experimentelle hinweise für diese exotische Materie gibt es bisher nicht. Vielmehr gibt es ein hervorragend funktionierendes Standartmodell mit einem Satz von Elementarteilchen , deren experimenteller Nachweis abgeschlossen ist, bis auf das umstrittene Higgs-Teilchen.

Kann die Dunkle Materie nicht durch bereits bekannte Teilchen Erklärt werden ?

Die Bewegung der Wasserstoffwolken zwischen den Sternen auf den äußeren Umlaufbahnen , deren Geschwindigkeit durch die Dopplerverschiebung der 21cm –Spektrallinien gemessen wurden, legt nahe, dass Spiral-Galaxien eingebettet sind in ein Halo nicht leuchtender Materie, die einen Großteil der Gesamtmasse ausmacht. Das ist vergleichbar mit einem Eisberg, bei dem nur 1/7 der Masse sichtbar ist.

Besteht das Halo aus kosmischen Staub ? Mit dem Hubble-Teleskop wurde erstmals das Infrarotspektrum kosmischer Silicat-Staubteilchen mit einem Durchmesser von 1 Mikron aufgenommen.

Besteht das Halo aus einer gigantischen Anhäufung von Antineutrinos ? Antineutrinos sind die Asche zerfallener Antimaterie und entstehen auch ständig durch die Beta-Strahlung zerfallender Materie . Nach neuesten Forschungsergebnissen haben sie zwar eine geringe Masse, die Masse reicht aber nicht aus, um die notwendige Gravitationswirkung Dunkler Materie erklären. Sie liefern aber mit ihrem Eigenimpuls in ihrer gigantischen Menge einen riesigen Drehimpuls. Dieser Drehimpuls verschafft den umlaufenden Sternen eine zusätzliche Geschwindigkeit. Vergleichbar ist das Bild eines auf einer Drehscheibe laufenden Menschen , dessen Geschwindigkeit sich zusammensetzt aus der eigenen Laufgeschwindigkeit und des sich bewegenden Untergrunds.

Surfen wir zum Entdecker der 5. Dimension - Edwin Hubble !