Читать книгу Der Raum so weit, so groß die Welt - Christian Hermenau - Страница 5

Zu Galileis Zeiten sah die Welt, aus der heutigen Sicht, noch viel einfacher aus. Er musste nur die Obrigkeit davon überzeugen, dass sich die Erde um ihre eigene Achse dreht und nicht das Universum um die Erde. Doch ist das wirklich so einfach zu erklären? Warum merken wir denn nichts von der Bewegung der Erde, obwohl sie in nur 24 Stunden, am Äquator, ihren gesamten Umfang zurücklegt. Müssten wir denn nicht weggeschleudert werden? Warum wird uns nicht schwindelig bei diesen hohen Drehgeschwindigkeiten?

So oder so ähnlich argumentierten die Kritiker und waren sich ganz sicher, dass sie Recht hatten. Man müsse es irgendwie fühlen, wenn sich die Erde unter den Füßen bewegt. So etwas bräuchte man auch nicht zu überprüfen - es wäre einfach klar!

Auf der Suche nach einem unwiderlegbaren Beweis dafür, dass sich die Erde dreht und wir trotzdem nicht davon fliegen oder die Bewegung spüren, entdeckte Galilei die Trägheit von Körpern. Er beobachtete genau, wie sich Massen verhielten, wenn sie gleichmäßig bewegt werden, immer und immer wieder. Dann verallgemeinerte er seine Beobachtungen auf den Idealfall und entwickelte daraus eine Gesetzmäßigkeit für alle Körper die sich gleichmäßig bewegen, die er Trägheit nannte. So bemerkte er, über die Untersuchung der Bewegung, dass physikalischen Gesetze unabhängig von dem Bewegungszustand des Bezugssystems sind. Also definierte er zum einen, das Inertialsystem als ein Bezugssystem, das kräftefrei ist und zum anderen das Relativitätsprinzip, das alle Inertialsysteme gleichwertig sind. Zusätzlich entwickelte er eine Koordinatentransformation, um die verschiedenen Bezugssysteme ineinander überführen zu können. Galilei geometrisierte die Welt. Ja er selber ging in seiner Euphorie so weit, die Welt selber, als die Geometrie anzusehen und war mit diesem Grundgedanken überaus erfolgreich.

Nur wenige Generationen später stellte, auf den Erkenntnissen Galileis zu den Relativsystemen, den Fallgesetzen, den Beschleunigungen und den Planetenbewegungen des Nikolaus Kopernikus, in England, Isaak Newton, einer der bedeutendsten Physiker, sein universelles Gravitationsgesetz auf. Newton erkannte als erster den Zusammenhang zwischen dem, dass ein Stein immer nach unten fällt, weil sich die Masse der Erde und der kleine Stein anziehen und dem, dass der Mond und die Erde sich anziehen. Der Mond fällt immerzu um die Erde herum. Es gelang ihm dafür ein Gesetz zu finden, das für alle Massen gilt und anscheinend universelle Gültigkeit besitzt. Zusammen mit den Bewegungsgesetzen legte Newton damit den Grundstein der klassischen Mechanik.

Im Jahre 1686 veröffentlichte Newton sein Werk, die „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“, in dem er erstmals sein Gravitationsgesetz vorstellte. Seitdem bestimmte es den Lauf der Gestirne, Kometen und aller sonstigen Himmelskörper. Es wurde zum unangefochtenen Gesetz, dem sich die ganze Physik und besonders die Himmelsmechanik unterwarfen. Erst zweihundert Jahre später zeigten sich im Detail gewisse Schwächen der Gravitationstheorie. Einstein war da gerade sieben Jahre alt, hatte aber schon die Naturwissenschaft und Technik für sich entdeckt und war speziell von physikalischen Naturphänomenen fasziniert. Bis er allerdings alt genug war um es mit einem Isaak Newton aufnehmen zu können, hatte er noch einen langen mühseligen Erkenntnisweg vor sich. Knapp 30 Jahre später, gehörte er nicht nur zur Elite der Physiker, sondern es gelang ihm die Gravitation Newtons, durch eine genauere, noch umfassendere Theorie der Gravitation, zu erweitern, die nicht nur die Massen einbezog, sondern auch den Raum und die Zeit.

Schon 1905, damals war er noch ein Niemand, fasste er seine Erkenntnisse über bewegte Bezugssysteme in den „Annalen der Physik“ zusammen. Zur Relativität bewegter Bezugssysteme nach Galileo, fand Einstein noch die Relativität von Raum und Zeit. Zwei Grundgrößen allen philosophischen und physikalischen Denkens, die in ihrer absoluten und beständigen Form, unangefochten immer fest waren. Aus präzisen Experimenten zeichnete sich ab, dass anscheinend die Lichtgeschwindigkeit eine Grenzgeschwindigkeit darstellt, die nicht überschritten werden kann. Einstein verallgemeinerte diese Vermutung auf alle Körper und Bewegungen und postulierte, dass zum einen keine Information schneller als mit der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit übermittelt werden kann und zum andern, dass nicht der Raum und die Zeit absolut sind, sondern nur die Lichtgeschwindigkeit. In jedem sich bewegenden Bezugssystem, ist nur die Lichtgeschwindigkeit gleich groß. Nur an ihr kann man sich orientieren.

Die spezielle Relativitätstheorie galt nur für Relativsysteme, die sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegen und so kam gleich der Wunsch in Einstein auf, die Veränderung von Raum und Zeit auch auf beschleunigte Systeme zu verallgemeinern. Speziell hier auf der Erde scheinen wir ununterbrochen zum Erdboden hin beschleunigt zu werden, auch wenn wir dabei ruhen. Wir werden an den Boden gepresst, genauso als wären wir in einer Rakete, die mit knapp 10 m/s² beschleunigt wird. In einem Fahrstuhl könnten wir den Unterschied kaum feststellen. Damit legte er den Finger auf die tieferen Zusammenhänge von beschleunigten Trägheitssystemen und ruhenden Schweresystemen. Massen und Bewegungen im Raum könnten miteinander in Verbindung stehen. Galilei glaubte noch fest die Welt, der Raum in ihr, ist Geometrie. Einstein geometrisierte nun, zu Galileis Raum, auch noch die Zeit als vierte Raumgröße. Dann verallgemeinerte er die Relativsysteme auf beschleunigte Inertialsysteme. Er geometrisierte Raum und Zeit und ließ als Höhepunkt zu diesen verallgemeinerten, geometrischen Koordinaten auch noch Raum- und Zeitkrümmungen zu. Damit ergab sich eine ganz neue Betrachtungsweise von Newtons Gravitationsgesetz. Jetzt sind es nicht mehr die Massen alleine, die sich anziehen, sondern die Massen verändern den Raum und die Zeit drum herum, und das führt indirekt dazu, dass sich Materie in einem gekrümmten Raum aufeinander zubewegt.

Einstein setzte dabei eine Mathematik ein, die bisher unter Mathematikern keine besondere Bedeutung hatte und 1840 von dem großen Mathematiker William Hamilton eingeführt wurde - die Tensorrechnung. Erst 1900 machte Gregorio Ricci-Curbastro, diese Rechenmethode, in seinem Buch „Calcolo differenziale assoluto“, sie einem größeren Fachpublikum zugänglich. Das Buch wurde in verschiedene Sprachen übersetzt, unter anderem ins Deutsche und so konnte sich auch Einstein sein Wissen darüber aneignen. Er benutzte diese neue Rechnung für seine allgemeine Relativitätstheorie und durch ihn bekam diese Art der Mathematik erst eine so große Bedeutung. Es war eine ausgearbeitete, mathematische Methodik, um mehrdimensionale Räume, die nicht zwingend euklidisch, also rechtwinklig waren, analytisch beschreiben zu können. Für Einstein waren der Ursprung von solchen Raum- und Zeitkrümmungen die Massen. Newtons gravitative Massen krümmten Einsteins Raumzeit und führten zu dem, was wir als Anziehung wahrnehmen. Egal ob es nun ein Apfel ist, der Newton auf den Kopf viel oder der Mond, der um die Erde, im gekrümmten vierdimensionalen Raum, herum fällt, hier fanden sich die Zusammenhänge der Himmelsbewegungen, im Ablauf der kleinen Dinge des Alltags, wieder.

Galilei hatte die Physik nicht erfunden, aber er hat ihr das Fundament für eine solide moderne Wissenschaft gegeben. Sein Wirken fiel in eine Zeit die im Umbruch lag.