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Geschichte der speziellen Relativitätstheorie

Die Geschichte der speziellen Relativitätstheorie (kurz SRT) umfasst mehrere konzeptionelle und empirische Vorschläge und Erkenntnisse von Physikern wie Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré, die in der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein kulminierten, sowie einen Ausbau dieser Theorie durch Wissenschaftler wie Hermann Minkowski.

Inhaltsverzeichnis

Überblick

Isaac Newton war in seinen 1687 publizierten Principia von einem absoluten Raum und einer absoluten Zeit ausgegangen. Gleichwohl galt auch in seiner Theorie das Relativitätsprinzip von Galileo Galilei, wonach alle relativ zueinander gleichförmig bewegten Beobachter ihren absoluten Bewegungszustand nicht bestimmen können. Ihre Perspektiven sind demnach gleichberechtigt und der Galilei-Transformation unterworfen, es gibt kein privilegiertes Bezugssystem. Wie Ende des 19. Jh. verschiedene Physiker betonten, führte dies genaugenommen aber zu einer Vervielfältigung "absoluter Räume". (So etwa James Clerk Maxwell und Ludwig Lange. Ernst Mach sieht, wie schon George Berkeley, die Absolutheit von Raum und Zeit nicht hinreichend phänomenologisch-empirisch fundiert. Carl Gottfried Neumann und Heinrich Streintz postulieren einen "Körper Alpha" bzw. einen "Fundamentalkörper" als Alternative.)[B 1]

Was in der Mechanik der "absolute Raum" ist, das ist in der Elektrodynamik der Äther: gemäß einer im 19. Jh. allgemein geltenden Voraussetzung brauchen Wellen ein Ausbreitungsmedium, und wie der Schall die Luft braucht, so das Licht den Äther, der als stofflich vorgestellt wurde. James Clerk Maxwell hatte diese Voraussetzung so formuliert, dass sich alle optischen und elektrischen Phänomene in einem Medium ausbreiten. Unter diesen Vorannahmen hat die Lichtgeschwindigkeit den durch die maxwellschen Gleichungen angegebenen Wert nur in einem System, in welchem der Äther ruhte. Damit wäre es möglich, den Bewegungszustand der Erde relativ zum Äther zu bestimmen und somit den Äther als ein ausgezeichnetes Bezugssystems zu verwenden.

Allerdings scheiterten alle Versuche, die Existenz und Dichte des Äthers und die Relativbewegung der Erde zu ihm zu bestimmen.[B 1] Dies führte, wie nachfolgend ausgeführt, zur Entwicklung der lorentzschen Elektrodynamik durch Hendrik Antoon Lorentz. Wie zeitgleich und unabhängig auch George Francis Fitzgerald, postuliert Lorentz in einem 1892 erstmals und 1899 modifiziert publiziertem Vorschlag eine Verkürzung von Körpern in Bewegungsrichtung. Schließlich wird die Galilei-Transformation durch die Lorentz-Transformation ersetzt. Lorentz konnte aber die Bedingung der Unabhängigkeit der Naturgesetze von der Bezugssystemwahl nur unvollkommen erfüllen, da er sich an die Veränderungen elektromagnetischer Feldgrößen nach dem Maxwellschen Gleichungen hielt, weshalb eine Forminvarianz nur für reine Felder ohne Ladungs- und Stromdichte gilt.[B 1] Henri Poincaré erkannte 1904, dass die Unüberschreitbarkeit der Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter das Hauptmerkmal der "neuen Mechanik" (d. h. der lorentzschen Theorie) war. Und 1905 gelang Poincaré eine vollständige physikalische Verallgemeinerung und mathematisch elegante Formalisierung der lorentzschen Elektrodynamik (1905), wobei er das Relativitätsprinzip als universell gültiges Naturgesetz einschließlich der Elektrodynamik und Gravitation festlegte.

Albert Einstein gelang mit der speziellen Relativitätstheorie (SRT, 1905) schließlich durch Wandlung der Begriffe von Raum und Zeit und durch Abschaffung des Äthers eine völlige Neuinterpretation der lorentzschen Elektrodynamik, was den Weg zu relativistischen Feldtheorien und zur Entwicklung der allgemeinen Relativitätstheorie (ART) frei machte. Diese Ergebnisse leitete Einstein ausschließlich aus dem Relativitätsprinzip und dem Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, welche er als Postulate seiner Theorie zugrundelegte, ab. Die Untersuchungen zur SRT wurden nach Einstein u. a. durch Hermann Minkowski fortgesetzt (1907), welcher die formalen Grundlagen für das heute übliche Konzept der vierdimensionalen Raumzeit entwickelte.

Entwicklung in Einzelschritten

Vom Äther zum Relativitätsprinzip

1816-1851 — Was den Bewegungszustand des Äthers relativ zur Materie betrifft, standen sich zwei Arten der Äthertheorien gegenüber: Die von Augustin Jean Fresnel (1816) vertretene Vorstellung eines ruhenden, bzw. nur teilweise mit einem bestimmten Koeffizienten mitgeführten Äthers, und die von George Gabriel Stokes (1845) angenommene vollständige Mitführung des Äthers durch die Materie.[A 1][A 2] Fresnels Theorie wurde bevorzugt, weil mit seiner Theorie die Aberration des Lichtes und viele optische Phänomene erklärt werden konnten und weil sein Mitführungskoeffizient von Armand Hippolyte Louis Fizeau 1851 sehr genau gemessen wurde.[B 2][B 3] Dabei wurde aber nur eine Abhängigkeit vom Brechungsindex des Mediums beobachtet, nicht aber von dessen Bewegungsgeschwindigkeit, wie auch bei Fizeaus 1859 unternommenem Versuch, eine Polarisationsebenendrehung an sich in Strahlrichtung bewegenden Spiegeln festzustellen.[B 1]

1861-1864 — James Clerk Maxwell entwickelte grundlegende Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus, die so genannten maxwellschen Gleichungen. Dabei entwarf er ein Modell, in dem die Phänomene der Optik als auch der Elektrodynamik zusammen auf einen einzigen, elektromagnetischen Äther zurückzuführen sind und definierte Licht als eine elektromagnetische Welle, welche sich konstant mit Lichtgeschwindigkeit in Bezug zum Äther ausbreitete. In ihrer ursprünglichen Form war Maxwells Theorie jedoch unvereinbar mit der Optik bewegter Körper und musste mit den Theorien von Fresnel bzw. Stokes abgestimmt werden. [A 3]

1881 — Joseph John Thomson erkannte während seiner Weiterentwicklung der maxwellschen Elektrodynamik, dass elektrostatische Felder sich so verhalten, als ob sie den Körpern neben der mechanischen eine elektromagnetische Masse hinzufügen würden. D. h. elektromagnetische Energie entsprach nach Thomson einer bestimmten Masse.[A 4]

Albert Abraham Michelson

1881 — Albert Abraham Michelson versuchte, direkt die Relativbewegung von Erde und Äther (Ätherwind) zu messen, welche nach Fresnels Theorie hätte auftreten müssen. Er konnte jedoch mit seiner Interferometeranordnung nicht das von ihm erwartete Ergebnis feststellen. Er selbst interpretierte das Ergebnis als Beleg für die These von Stokes (vollständige Äthermitführung durch die Erde) und gegen die Theorie Fresnels.[A 5]

1886 — Hendrik Antoon Lorentz wies jedoch nach, dass Michelson bei den Berechnungen zu seinem 1881-Experiment ein Rechenfehler unterlaufen war, woraus sich ergab, dass das Experiment zu ungenau war, um überhaupt im Rahmen der Messgenauigkeit ein positives Messresultat zu erbringen, was von Michelson selbst zugegeben wurde.[A 6] Lorentz konnte auch zeigen, dass die vollständige Mitführung eines Äthers in sich widersprüchlich war.[B 2][B 3]

1886 — Michelson und Edward Morley führten ein Experiment durch, bei dem die Messungen Fizeaus, d.h. die Lichtgeschwindigkeit in einer bewegten Flüssigkeit, überprüft werden sollten. Dabei wurde der fresnelsche Mitführungskoeffizient sehr genau bestätigt. Entgegen seiner Aussage von 1881 war Michelson diesmal der Meinung, dass offenbar ein ruhender Äther damit bestätigt sei.[A 7]

1887 — Woldemar Voigt entwickelte im März auf Basis eines elastischen Äthermodells eine Transformation, welche bis auf einen unterschiedlichen Skalenfaktor sehr ähnlich der späteren Lorentz-Transformation war. Die Gleichungen der Voigt-Transformation beinhalteten die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und waren damit mit dem Michelson-Morley-Versuch verträglich, sie waren jedoch nicht symmetrisch und verletzten das Relativitätsprinzip. Jedoch wurde Voigts Arbeit von seiner Zeitgenossen völlig ignoriert.[A 8]

1887 — Im November wiederholten Michelson und Morley das Experiment Michelsons von 1881. Dieses heute berühmte Michelson-Morley-Experiment lieferte nicht das erwartete positive Resultat, und stand im krassen Gegensatz zu dem Versuch von 1886, welcher für den fresnelschen Äther sprach. Jedoch auch ein vollständig mitgeführter Äther war durch Lorentz' Arbeit (1886) kaum mehr vertretbar.[A 9]

1889 — Oliver Heaviside führte die Arbeit von Thomson (1881) fort und erkannte, dass sich die Masse nicht nur im geladenen Zustand erhöht, sondern dass diese elektromagnetische Masse bei höherer Geschwindigkeit sogar vergrößert wird. Zusätzlich stellte er fest, dass elektrostatische Felder in Bewegungsrichtung kontrahiert waren (Heaviside-Ellipsoid) was nach ihm bei Erreichen der Lichtgeschwindigkeit zu physikalisch schwer deutbaren Phänomenen führt.[A 10]

1889 — Heaviside folgend vermutete George Francis FitzGerald, dass auch materieller Körper in Bewegungsrichtung kontrahieren, was zur Längenkontraktion führt und den Michelson-Morley-Versuch erklären könnte.[A 11]

1890 — Nachdem Heinrich Rudolf Hertz 1887 die Existenz von elektromagnetischen Wellen nachgewiesen hatte,[B 2] entwickelte er (und analog dazu Heaviside) die maxwellsche Theorie weiter. Die so genannten "maxwell-hertzschen" Gleichungen bildeten eine wichtige Grundlage für die weitere Entwicklung der Elektrodynamik. Hertz nahm jedoch wie Stokes an, dass der Äther von dem Körper vollständig mitgeführt wurde - eine Annahme die wie gesagt kaum mit den optischen Experimenten zu vereinbaren war.[A 12][A 13] Anfang 1900 wurde die hertzsche Theorie auch direkt experimentell widerlegt und von der lorentzschen Theorie abgelöst.[B 2] Hertz selbst war einer der letzten Anhänger des "mechanistischen Weltbildes", wonach alle elektromagnetischen Prozesse auf mechanische Stoß- und Kontaktwirkungen zurückgeführt werden sollten.[B 3]

1892 — Lorentz legte die Fundamente der lorentzschen Äther- bzw. Elektronentheorie indem er annahm, dass der Äther vollständig in Ruhe sei und auch nicht teilweise von den Elektronen mitgeführt wird. Dabei verzichtete er darauf, irgendwelche Aussagen über die mechanische Natur des Äthers und der elektromagnetischen Prozesse zu machen, sondern versuchte umgekehrt viele mechanischen Prozesse auf elektromagnetische zurückzuführen. Im Rahmen seiner Theorie errechnete Lorentz u.a. wie Heaviside die Kontraktion der elektrostatischen Felder. [A 14] Im selben Jahr schlug er unabhängig von Fitzgerald die Längenkontraktion vor, um dem MM-Versuch zu erklären (deswegen auch lange "Fitzgerald-Lorentz-Kontraktion" genannt).[A 15] Aus Plausibilitätsgründen verwies Lorentz auf die Analogie zur Kontraktion der em-Felder, jedoch Lorentz gab selbst zu, dass das keine zwingende Begründung war.[B 4]

1895 — Lorentz führte als mathematische Hilfsvariable die Ortszeit und somit eine Vorform der später als Lorentz-Transformation bekannten Gleichungen ein, welche zur Erklärung aller negativen Ätherdriftexperimente für Größen erster Ordnung zu v/c diente. D. h. die Form der elektromagnetischen Gleichungen eines "realen", im Äther ruhenden Systems entspricht der Form eines "fiktiven", im Äther bewegten Systems. Dabei verwendete er den Begriff "Theorem der korrespondierenden Zustände", d. h die Lorentz-Kovarianz der elektromagnetischen Gleichungen für relativ geringe Geschwindigkeiten.[A 16] Wie Miller ausführte, zeigte sich damit zusammenhängend besonders bei der Kontraktion von Feld und Materie, dass Lorentz die Voigt-Transformationen zur Aufstellung der Lorentz-Transformation nicht benötigt hatte (selbst wenn sie ihm bekannt gewesen wären), weil diese zur Begründung der Längenkontraktion nicht brauchbar waren.[B 5] Jedoch erkannte Lorentz, dass seine Theorie gegen das Prinzip von actio und reactio verstieß, da zwar der Äther auf die Materie wirken, jedoch die Materie nicht auf den Äther zurückwirken konnte.

1895 — Henri Poincaré urteilte, dass trotz der Verletzung des Prinzips von actio-reactio die Theorie von Lorentz von allen Theorien zur Elektrodynamik die wenigsten Defekte aufwies. Denn im Gegensatz zu den anderen Theorien könne sie das Fizeau-Experiment und das "Prinzip der Erhalung von Elektrizität und Magnetismus" erklären. Im Gegensatz zu Lorentz, welcher vorerst nur die negativen (optischen) Ätherdriftexperimente für Größen erster Ordnung erklären wollte, war Poincaré der Meinung, dass man im Anschluss an das Michelson-Morley-Experiment nur noch "Relativbewegungen der Materie" untereinander, jedoch keine "absolute Bewegung der Materie" bzw. keine "Relativbewegung zum Äther" wird beobachten können.[A 17]

1897 — Joseph Larmor entwarf ein sehr ähnliches Modell wie Lorentz, jedoch ging er einen Schritt weiter und erweiterte die Lorentz-Transformation auch für Größen zweiter Ordnung. Larmor war somit der Erste, der die Lorentz-Transformation in zumindest algebraisch äquivalenter Form, wie sie bis heute benutzt werden, veröffentlichte. Dabei sah er, dass nicht nur die Längenkontraktion daraus abgeleitet werde kann, sondern er berechnete auch eine Art Zeitdilatation, wonach Rotationen von im Äther bewegten Elektronen langsamer ablaufen als bei ruhenden Elektronen.[A 18] Larmor präzisierte seine Überlegungen 1900.[A 19]

1898 — In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts war man intensiv damit beschäftigt, ein weltweites mit elektrischen Signalen synchronisiertes Uhrennetzwerk aufzubauen, wobei auch bereits die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit berücksichtigt wurde.[B 6] Daraus zog Henri Poincaré folgenreiche Konsequenzen für Philosophie und Physik. Er stellte fest, dass die Synchronisation mit Lichtsignalen eine Bedeutung für die Definition der Gleichzeitigkeit an verschiedenen Orten an sich hatte, und deshalb Definition der Gleichzeitigkeit eine reine, auf Bequemlichkeit beruhende Konvention sei. Dabei argumentierte er, dass die Annahme einer konstanten Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen (z. B. für astronomische Zwecke) als "Postulat" vorteilhaft sei, um Gesetzen wie das newtonsche Gravitationsgesetz eine möglichst einfache Form zu geben.[A 20]

1899 — Auch Lorentz erweiterte seine Transformation für Größen zweiter Ordnung und vermerkte ebenso wie Larmor eine Art Zeitdilatation. Besonders wichtig war die Integrierung der u.a. von Thomson erkannten Geschwindigkeitsabhängigkeit der Massen in seine Theorie. Er bemerkte, dass diese aufgrund der Lorentz-Transformation nicht nur mit der Geschwindigkeit, sondern auch mit der Richtung variiert und führte die später von Max Abraham als longitudinale und transversale Masse bekannt gewordenen Terme ein. (Wobei die transversale Masse dem später als relativistische Masse bezeichneten Begriff entsprach).[A 21] In einer anderen Schrift bekräftige Lorentz den rein formalen Charakter der Ortszeit und betonte, dass man sich darunter keine Zeit vorstellen soll, welche von Uhren angezeigt werden könne.

Henri Poincaré

1900 — Poincaré erklärte (wie bereits 1895), dass er nicht an eine absolute Bewegung bzw. die Entdeckung einer Bewegung gegenüber dem Äther glaube. Das nannte er das "Prinzip der relativen Bewegung".[A 22] Im selben Jahr erkannte Poincaré, dass man die lorentzsche Ortszeit dadurch definieren kann, indem zwei Beobachter mit Lichtsignalen ihre Uhren synchronisieren. (Poincaré-Einstein-Synchronisation). Da sie aufgrund des Relativitätsprinzips davon ausgehen, sich in Ruhe zu befinden, glauben sie dass das Licht in beide Richtungen gleich schnell unterwegs ist. Wenn sie jedoch zum Äther bewegt sind, werden sie einen Fehler machen und die Uhren werden nicht synchron sein (Relativität der Gleichzeitigkeit). D. h. Poincaré definierte die Ortszeit als etwas, was tatsächlich physikalisch interpretiert und mit Uhren angezeigt werden kann - im klaren Gegensatz zur rein mathematischen Interpretation von Lorentz.[B 7] In der selben Arbeit erkannte Poincaré auch, dass die elektromagnetische Energie einer "fiktiven" Masse von m = E / c2 bzw. E = mc2 entsprach und definierte dabei den elektromagnetischen Impuls - wobei Poincaré diese Begriffe, im Gegensatz zu seiner physikalischen Interpretation der Ortszeit, als mathematische Fiktionen ansah. Er stieß dabei jedoch auf ein Strahlungsparadoxon, welches befriedigend erst später von Einstein gelöst wurde.[A 23]

1900 — Wilhelm Wien nahm (den Arbeiten von Thomson und George Frederick Charles Searle folgend) an, dass die gesamte Masse elektromagnetischen Ursprungs sei und fand dabei als Masse-Energie-Beziehung die Formel m = (4 / 3)E / c2. Auch vermerkte er, dass die Gravitation der em-Energie proportional sein müsse, falls sie ebenfalls auf em-Energie zurückgeführt werden könnte. Dies stand im Zusammenhang mit der vor allem von Wien propagierten Ansicht, dass entgegen dem "mechanistischen Weltbild" von Hertz sämtliche Kräfte der Natur elektromagnetisch erklärbar seien ("elektromagnetisches Weltbild").[A 24]

1900 — Emil Cohn entwarf eine alternative Elektrodynamik, wobei er als einer der Ersten die Existenz des Äthers (zumindest in bisheriger Form) verwarf und als Bezugskörper stattdessen wie Ernst Mach die Fixsterne verwendete.[A 25] So konnte er zwar das Michelson-Morley-Experiment erklären, da die Erde relativ zu den Fixsternen in Ruhe ist, jedoch konnte nach seiner Theorie die Lichtgeschwindigkeit in Medien gleichzeitig in verschiedenen Richtungen überschritten werden. Wegen dieser und anderer Unstimmigkeiten wurde die Theorie (auch von Cohn selbst) später verworfen.[B 3]

1901 — Menyhért Palágyi präsentierte ein philosophisches Modell, wonach Raum und Zeit lediglich sprachliche Bezeichnungen für eine in Wirklichkeit einheitliche "Raumzeitform" sei. Dabei benutzt er für seine "Raumzeitlehre" die Zeit als vierte Dimension, welche bei ihm bereits die Form it (wo ) hatte. Jedoch bestand zwischen Palagyis Philosophie kein Zusammenhang zur damaligen Elektrodynamik, und in Gegensatz zur lorentzschen Ortszeit ist bei ihm die Zeitdimension weder vom Ort noch von der Lichtgeschwindigkeit abhängig. Er verwarf auch jeglichen Zusammenhang mit den bereits vorhandenen Konstruktionen von n-dimensionalen Räumen und der nicht-Euklidischen Geometrie. (Bezeichnenderweise lehnte Palagyi später auch die im Geiste der nicht-Euklidischen Geometrie entwickelten Raumzeit-Konstruktionen von Minkowski und Einstein ab).[A 26]

1902 — Poincaré veröffentlichte das philosophische und allgemeinverständliche Buch Wissenschaft und Hypothese, welches u. a. enthielt:[A 27]

1901-1903 — Walter Kaufmann bestätigte als Erster experimentell die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse. Dabei wurde ein Kathodenstrahl von Elektronen aus Metallen erzeugt, so dass Verhältnisse von Ladung, Geschwindigkeit und Masse bestimmbar wurden. Es zeigte sich eine Massenabnahme für hohe Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Dabei glaubte Kaufmann, dass seine Messungen bewiesen hätten, dass die gesamte Masse der Materie elektromagnetischen Ursprungs sei [A 28] Max Abraham (der wie Wien ein überzeugter Anhänger des elektromagnetischen Weltbildes war) legte dazu eine Erklärung vor und führte die von Lorentz begonnene Theorie fort. So war er der Erste, der ein feldtheoretisches Konzept der Elektronen vorlegte. Im Gegensatz zu Lorentz definierte er das Elektron jedoch als starres, kugelörmiges Gebilde und lehnte deren Kontraktion ab, weshalb auch seine Massen-Terme von den von Lorentz gebrauchten differierten (wobei Abraham als Erster die Begriffe longitudinale und transversale Masse prägte).[A 29][A 30] Abrahams Theorie wurde in den nächsten Jahren das wichtigste Konkurrenzmodell zu der Theorie von Lorentz. Kaufmanns Experimente waren jedoch zu ungenau, um eine Entscheidung zwischen den Theorien herbeizuführen. Zusätzlich führte er Poincaré folgend den Begriff des "elektromagnetischen Impulses" ein, welcher proportional zu E / c2 ist. Im Gegensatz zu Poincaré und Lorentz verstand er diesen jedoch als reale physikalische Entität.[B 5]

1904 — Im Mai kam Lorentz schließlich einer Komplettierung seines Theorems der korrespondierenden Zustände sehr nahe. Er entwickelte ebenso wie Abraham eine feldtheoretisches Konzept der Elektronen, welches jedoch im Gegensatz zu zu Abraham die Kontraktion der Elektronen und somit das Relativitätsprinzip zu berücksichtigen versuchte. Jedoch gelang es ihm nicht, die vollständige Lorentz-Kovarianz der elektromagnetischen Gleichungen zu zeigen. Ein weiterer wichtiger Schritt war, dass er die Gültigkeit der Lorentz-Transformationen auf nicht-elektrische Kräfte (sofern diese existieren) ausdehnte.[A 31]

1904 — Im Anschluss daran machte Cohn wie vor ihm Poincaré die wichtige Feststellung, dass die Ortszeit kein bloßes mathematisches Konstrukt sei, sondern von bewegten Uhren angezeigt wird und auf der Synchronisation mit Lichtsignalen beruhte. Cohn glaube jedoch, dass dies nur für den Bereich der Optik gültig sei, wohingegen mechanische Uhren die "wahre" Zeit anzeigen könnten.[A 32] Und auch Abraham wandte kritisch ein, dass Lorentz' Theorie der deformierten bzw. kontrahierten Elektronen nicht mit dem elektromagnetischen Weltbild vereinbar sei, da nicht-elektrische Kräfte benötigt werden, um die Stabilität der Materie zu garantieren.[A 33] Es stellte sich nun also die Frage, ob das elektromagnetische Weltbild (verträglich mit Abrahams Theorie) oder das Relativitätsprinzip (verträglich mit Lorentz' Theorie) korrekt war.[B 5]

1904 — In einer Rede in St. Louis vom September definierte Poincaré (in Abwandlung des galileischen Relativitätsprinzips im Sinne von Lorentz' Theorem der korrespondierenden Zustände) das Prinzip der Relativität als eine Forderung, dass die Naturgesetze für alle Beobachter die gleichen sein müssen, unabhängig davon, ob sie sich bewegen oder nicht und deswegen ihr absoluter Bewegungszustand unbekannt bleiben müsse. Er präzisierte seine Uhrensynchronisationsmethode durch Licht und damit seine physikalische Interpretation der Ortszeit und erklärte, dass womöglich eine "neue Methode" bzw. "neue Mechanik" kommen werde, welche auf der Unüberschreitbarkeit der Lichtgeschwindigkeit (auch für relativ zum Äther bewegte Beobachter) beruhe. Er vermerkte jedoch kritisch an, dass sowohl das Relativitätsprinzip, Newtons actio und reactio, der Massenerhaltungssatz als auch der Energieerhaltungssatz keineswegs gesichert seien.[A 34]

1904 — Friedrich Hasenöhrl verband Energie mit Trägheit in einer Schrift, welche nach seinen eigenen Worten sehr ähnlich zu denen von Abraham war. Hasenöhrl nahm an, dass ein Teil der Masse eines Körpers (die "scheinbare Masse") als Strahlung in einem Hohlkörper aufgefasst werden kann. Die Trägheit dieser Strahlung ist proportional zu ihrer Energie nach der Formel m = (8 / 3)E / c2 Jedoch veröffentlichte er 1905 die Zusammenfassung eines Briefes, den Abraham an ihn geschrieben hatte, in welchem Abraham das Ergebnis bemängelte und als korrigierten Wert für die scheinbare Masse m = (4 / 3)E / c2 angab, also der gleiche Wert wie die bereits bekannte em-Masse. Hasenöhrl überprüfte seine eigenen Berechnungen und bestätigte Abrahams Resultat. Er bemerkte dazu den engen Zusammenhang von mechanischer Arbeit, Temperatur und scheinbarer Masse, da bei jeder Erwärmung Strahlung und somit zusätzliche Trägheit entsteht. Jedoch schränkte Hasenöhrl diese Energie-Scheinbare-Masse-Beziehung auf strahlende Körper ein; das hieß für Hasenöhrl, wenn ein Körper eine Temperatur hat, die größer ist als 0° Kelvin.[A 35][A 36]

1905 — Am 5. Juni legte Poincaré schließlich die Zusammenfassung einer Arbeit vor, welche formal die vorhandenen Lücken von Lorentz' Arbeit schloss (wobei diese Schrift zwar die Ergebnisse, oft jedoch nicht die Herleitungen seiner Betrachtungen enthielt.) Er sprach vom Postulat der völligen Unmöglichkeit der Entdeckung einer absoluten Bewegung, welches scheinbar ein Naturgesetz sei. Er erkannte den Gruppencharakter der von ihm als Ersten so bezeichneten Lorentz-Transformation, er gab ihr die moderne symmetrische Gestalt und korrigierte Lorentz' Terme für Ladungsdichte und Geschwindigkeit und erreichte damit die volle Lorentz-Kovarianz. Lorentz folgend erklärte er, dass die Lorentz-Transformation (und damit die Lorentz-Invarianz) auf alle Kräfte der Natur angewendet werden müsse. Aber im Gegensatz zu Lorentz behandelte er auch die Gravitation und zeigte (seiner Ansicht nach) die Möglichkeit eines Lorentz-invarianten Gravitationsmodells und erwähnte die Existenz von Gravitationswellen. Um die Kritik von Abraham zu entkräften, führte Poincaré einen nicht-elektrischen Druck ein, welcher die Stabilität des Elektrons garantieren soll und womöglich auch die Längenkontraktion dynamisch begründen sollte.[A 37] Damit gab Poincaré jedoch das elektromagnetische Weltbild zugunsten des Relativitätsprinzps auf.[B 4] (Wobei wesentliche Teile dieser Arbeit bereits in zwei Briefen enthalten waren, welcher von Poincaré ca. Mai 1905 an Lorentz geschrieben wurden. Im ersten Brief korrigierten Poincaré die elektrodynamischen Gleichungen von Lorentz,[A 38] und im zweiten begründete er die Gruppeneigenschaft der Lorentz-Transformation und formulierte das relativistische Additionstheorem für Geschwindigkeiten.[A 39])

Einstein (1905)

Spezielle Relativitätstheorie

In seiner Arbeit "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" (übermittelt am 30. Juni, veröffentlicht im September 1905) gelang Albert Einstein mit der speziellen Relativitätstheorie eine völlige Neuinterpretation der lorentzschen Elektrodynamik. Es gelang ihm nämlich die maßgeblichen Teile der lorentzschen Elektrodynamik alleine aus der Annahme von zwei Prinzipien, nämlich dem Relativitätsprinzip und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen gleichförmig bewegten Bezugssystemen, abzuleiten. Ein besonders bedeutender Aspekt der einsteinschen Arbeit war, dass sie implizit auf der „Abschaffung des Äthers“ und den Änderungen der Grundlagen von Raum und Zeit beruhte, woraus sich der Übergang von der Galilei-Invarianz zu Lorentz-Invarianz sehr viel einfacher ergab.[A 40]

Auf wenigen Seiten konnte Einstein aufgrund seiner axiomatischen Methode Ergebnisse herleiten, auf die andere vor ihm erst in jahrelanger, komplizierter Arbeit gestoßen waren. Einstein erklärte, dass der scheinbare Widerspruch zwischen den beiden Prinzipien (welche er als Postulate seiner Theorie zugrundelegte) durch die Untersuchung der Eigenschaften von Raum, Zeit und Gleichzeitigkeit aufgehoben werde konnte und die Einführung eines Äthers überflüssig wurde. Aus der Synchronisation von Uhren mit Lichtsignalen und der damit zusammenhängenden Relativität der Gleichzeitigkeit in den §§ 1-2 leitete er von rein kinematischen Überlegungen ausgehend im §3 die Lorentz-Transformation ab. Aus dieser Transformation konnte er wiederum als sekundäre Konsequenzen der Theorie die Längenkontraktion, die Zeitdilatation, und das relativistische Geschwindigkeitsadditionstheorem in den §§ 4-5 ableiten. In den §§ 6-10 übertrug er nun die Ergebnisse seiner kinematischen Untersuchungen auf die Elektrodynamik. Er leitete den relativistischen Dopplereffekt und die relativistische Aberration aus den Transformationen ab, zeigte die Lorentz-Kovarianz der elektromagnetischen Gleichungen auf, und berechnte die relativistischen Ausdrücke für den Strahlungsdruck. Schließlich leitete er die longitudinale und (mit allerdings einem falschen Wert) transversale Masse der Elektronen ab.

Vor allem Poincaré (und nach 1905 auch Lorentz) benutzten zum Teil die selben Prinzipien wie Einstein, sie lehrten auch die vollständige mathematische Gleichberechtigung der Bezugssysteme, und erkannten an, dass tatsächlich unterschiedliche Raum- und Zeitkoordinaten gemessen werden. Sie blieben aber dabei, die Effekte der Lorentz-Transformation auf dynamische Wechselwirkungen mit dem Äther zurückzuführen, unterschieden zwischen der „wahren“ Zeit im ruhenden Äthersystem und der „scheinbaren“ Zeit in relativ dazu bewegten Systemen, und erwähnten den Äther bis zuletzt in ihren Schriften. Konkret bedeutet das, dass sie die newtonsche Mechanik zwar modifizieren, jedoch nicht grundlegend verändern wollten. Die grundlegende Neubewertung von Raum und Zeit im Rahmen einer wissenschaftlichen Theorie blieb also Einstein vorbehalten.

Äquivalenz von Masse und Energie

Bereits in der Arbeit zur Elektrodynamik gab Einstein die kinetische Energie eines Elektrons an mit:

.

(Wobei ähnliche Formeln wie oben erklärt schon von Poincaré, Wien, Abraham oder Hasenährl aufgestellt worden waren.) In seiner Arbeit "Ist die Trägheit eines Körpers von dessen Energieinhalt abhängig?" vom September (veröffentlicht November) führte Einstein nun diesen Ansatz fort und erkannte, indem er ein ähnliches Strahlungsparadoxon im Sinne Poincarés (1900) auflöste, dass durch Übertragung von Energie ein Körper Masse verlieren und gewinnen kann, was zur eigentlichen Äquivalenz von Masse und Energie gemäß E = mc2 führt.[A 41]

Weiterentwicklung der SRT

1905-1906 − Henri Poincaré übermittelte 1905 (vorgelegt am 23. Juli, gedruckt am 14. Dezember, veröffentlicht im Januar 1906) unabhängig von Einstein seine als Palermo-Arbeit bekannt gewordene Schrift, welche eine deutlich erweiterte Fassung von Poincarés erster 1905-Arbeit darstellte. [A 42] Im Zusammenhang mit seiner Gravitationsauffassung (welche sich allerdings als unzureichend erwies) zeigte Poincaré, dass die Kombination x2 + y2 + z2c2t2 invariant ist und führte dabei den Ausdruck ict (im Gegensatz zu Palagyi also mit Lichtgeschwindigkeit) als vierte Koordinate eines vierdimensionalen Raums ein – er benutzte dabei Vierervektoren. Er sprach von dem „Postulat der Relativität“; er zeigte dass die Transformationen eine Konsequenz des Prinzips der kleinsten Wirkung sind, und er demonstrierte ausführlicher als vorher deren Gruppeneigenschaft, wobei er den Namen Lorentz-Gruppe („Le groupe de Lorentz“) prägte. Allerdings merkte Poincaré 1907 an, dass eine Neuformulierung der Physik in eine vierdimensionale Sprache zwar möglich, aber zu umständlich ist und deshalb geringen Nutzen habe, weshalb er seine diesbezüglichen Ansätze nicht weiterverfolgte - dies wurde später erst durch Minkowski getan. Und im Gegensatz zu Einstein hielt Poincaré weiterhin am Konzept des Äthers fest.[B 8]

1905-1906 − Walter Kaufmann war wohl der Erste, der Bezug zur Arbeit Einsteins nahm. Er verglich die Theorien von Lorentz und Einstein, und obwohl er angab, dass die Methode Einsteins zu bevorzugen sei, stellte er die Beobachtungsäquivalenz der beiden Theorien fest. Deshalb sprach er vom Relativitätsprinzip als der "lorentz-einsteinschen" Grundannahme und prägte den für einige Jahre oft gebrauchten Begriff der "Lorentz-Einstein-Theorie". Kaufmann gab nun die Ergebnisse seiner neu durchgeführten Experimente bekannt. Diese stellten seiner Meinung nach eine eindeutige Widerlegung des Relativitätsprinzips und der Lorentz-Einstein-Theorie dar, jedoch seien die Daten sehr gut verträglich mit der abrahamschen Theorie. Für einige Jahre stellten Kaufmanns Experimente einen gewichtigen Einwand gegen das Relativitätsprinzip dar.[A 43]

Max Planck

1906 − Max Planck veröffentlichte nun seine erste Arbeit zu diesem Thema, wobei er Einsteins Theorie als "Verallgemeinerung" der lorentzschen Theorie auffasste.[A 44] Nach Miller[B 5] war Planck der Erste, der in einer weiteren Arbeit[A 45] neben dem Begriff "Lorentz-Einstein-Theorie" den Ausdruck "Relativtheorie" (im Gegensatz zur "Kugeltheorie" von Abraham) einführte. In der darauf folgenden Diskussion zu der Arbeit wandelte Alfred Bucherer diesen Begriff in "Relativitätstheorie" ab. Alle drei Begriffe wurden in den nächsten Jahren abwechselnd von verschiedenen Physikern benutzt. Planck korrigierte den Fehler in Einsteins Definition der transversalen relativistischen Masse und zeigte, dass die korrekte Schreibweise mit der von Lorentz (1899) äquivalent war. Dabei definierte er auch den relativistischen Impuls.

1906 − Einstein stellte fest, dass die Trägheit der Energie (Masse-Energie-Äquivalenz) eine notwendige und hinreichende Bedingung für die Erhaltung der Schwerpunktsbewegung ist. Dabei verwies er auf Poincaré (1900b) und erklärte dass der Inhalt dessen Arbeit hauptsächlich mit seiner eigenen übereinstimme.[A 46]

1907 − Kurd von Mosengeil entwickelte Hasenöhrls Ansatz zur Berechnung der Schwarzkörperstrahlung in einem Hohlkörper unter Einbeziehung von Einsteins Theorie weiter und legte einen wichtigen Grundstein für die relativistische Thermodynamik.[A 47] Auf Mosengeils Arbeit basierend konnte auch Planck 1907 die Masse-Energie-Äquivalenz aus dem Ansatz der Hohlraumstrahlung ableiten. Er anerkannte die Priorität von Einsteins 1905-Arbeit zur Äquivalenz, jedoch Planck schätzte seine eigene Ableitung als allgemeingültiger als Einsteins ein und schrieb: „Wesentlich dieselbe Folgerung hat schon A. Einstein [1905a] aus der Anwendung des Relativitätsprinzips auf einen speziellen Strahlungsvorgang gezogen, allerdings unter der nur in erster Annäherung zulässigen Voraussetzung, dass sich die gesamte Energie eines Körpers additiv zusammensetzt aus seiner kinetischen Energie und aus seiner Energie für ein in ihm ruhendes Bezugssystem. Dort findet sich auch ein Hinweis auf eine mögliche Prüfung der Theorie durch Beobachtungen an Radiumsalzen.[A 48]

1907 − Lorentz hatte bereits 1895 für größen erster Ordnung den fresnelschen Mitführungskoeffizienten und somit das Fizeau-Experiment mit der Ortszeit erklären können. Analog dazu gelang es nun Jakob Laub und vor allem Max von Laue, dieses Ergebnis für Größen aller Ordnungen aus dem relativistischen Geschwindigkeitsadditionstheorem abzuleiten.[A 49][A 50]

1907 − Einstein besprach die Frage, ob in starren Körpern, bzw. überhaupt, die Informationsgeschwindigkeit größer als Lichtgeschwindigkeit sein könne und erklärte, dass unter diesen Umständen Informationen in die Vergangenheit gesendet werden könnten und die Kausalität verletzt wäre. Da dies jedoch radikal gegen jede Erfahrung verstößt, ist Überlichtgeschwindigkeit ausgeschlossen. Er fügte hinzu, dass weitergehend eine Dynamik des starren Körpers in der SRT erstellt werden müsse (womit nun auch Einstein wie Planck und Bucherer den Ausdruck Relativitätstheorie benutzte)[A 51].

1908 − In einem bedeutenden Übersichtsartikel zum Relativitätsprinzip (geschrieben 1907) bezeichnete er der Inhalt der bisher erstellten Theorie als eine "Vereinigung der lorentzschen Theorie mit dem Relativitätsprinzip" mit der Haupterkenntnis, dass die lorentzsche Ortszeit in Wirklichkeit eine reale, gleichberechtigte Zeit ist. Einstein sagte auch zum ersten Mal die Existenz eines transversalen Dopplerfeffekts voraus. Er präsentiert eine weitere Ableitung der Masse-Energie-Äquivalenz, wobei er in diesem Zusammenhang erstmals das Postulat aussprach, dass schwere und träge Massen äquivalent seien, und da die träge Masse vom Energiegehalt abhängt, gilt dies nach Einstein auch für die schwere Masse. Und schließlich folgerte er, dass bei Anwendung von SRT und Äquivalenzprinzip auf beschleunigte Systeme das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit vollständig nur bei kleinen Lichtwegen zur Bestimmung der Gleichzeitigkeit benutzt werden kann, dass Lichtstrahlen in einem Gravitationsfeld gekrümmt sind, und dass Uhren in einem höheren Gravitationspotential schneller gehen.[A 52]

1907-1908 − Poincarés vierdimensionaler Ansatz wurde von Hermann Minkowski entscheidend weiterentwickelt, welcher in einem Vortrag von 1907 die Raumzeit als eine "vierdimensionale nicht-Euklidische Mannigfaltigkeit" bezeichnete.[A 53] In seiner nächsten Schrift (1907) schließlich gelang es ihm, die gesamte Elektrodynamik durch Einführung eines vierdimensinalen Formalismus im sogenannten Minkowski-Raum neu zu formulieren, was eine sehr viel klarere und zusammenhängendere Interpretation der SRT ermöglichte. Dabei führte er auch den wichtigen Begriff der Eigenzeit ein. Jedoch sein Versuch, wie Poincaré ein Lorentz-invariantes Gravitationsgesetz aufzustellen, erwies sich als untauglich.[A 54] In seinem berühmten Vortrag Raum und Zeit (1908), wo er das Ende der bisherigen Vorstellungen von Raum und Zeit verkündete, konzipierte er das Minkowski-Diagramm zur Veranschaulichung der Raumzeit. Dabei kritisierte er Lorentz für die Künstlichkeit seiner Kontraktionshypothese, wohingegen er seine eigene geometrische Deutung als viel natürlicher ansah. Minkowski selbst nannte 1907 als seine Vorläufer bei der Ausarbeitung des Relativitätsprinzips: Lorentz, Einstein, Poincaré und Planck. Hingegen in seinem berühmten Vortrag Raum und Zeit erwähnte er nur noch Voigt, Lorentz und Einstein.[B 8]

1908 − Vorerst lehnten Einstein und Laub eine vierdimensionale Formulierung der Relativitätstheorie als zu aufwendig ab und veröffentlichten eine nicht-vierdimensionale Ableitung der Grundgleichungen für bewegte Körper.[A 55] Trotzdem war es gerade Minkowskis Formalismus, welcher ab 1909 entscheidend für die Verbreitung und Akzeptanz der SRT verantwortlich war.

1908-1914 − Alfred Bucherer führte 1908 neue Experimente durch, welche die kaufmannschen Messungen überprüfen sollten. Das Ergebnis wurde von Bucherer als Bestätigung der "Lorentz-Einstein-Theorie" und des Relativitätsprinzips interpretiert.[A 56] Jedoch blieben auch hier Zweifel offen. Spätere Experimente von Neumann (1914) sprachen angeblich ebenfalls für die Relativitätstheorie, sodass man allgemein zur Überzeugung gelangte, dass die Sache entschieden sei.[A 57] Jedoch spätere Untersuchungen zeigten, dass die Experimente von Kaufmann-Bucherer-Neumann im Grunde alle nicht genau genug waren, um eine Entscheidung zwischen den konkurrierenden Theorien herbeizuführen. Das abrahamsche Modell wurde dann erst 1940 endgültig widerlegt.[B 5]

1908-1913 − Walter Ritz (neben anderen) entwarf 1908 eine an der newtonschen Kurpuskulartheorie angelehnte Emissionstheorie, wonach die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen lediglich konstant relativ zur Emissionsquelle (und nicht zu einem Äther) ist und wo statt der Lorentz-Transformation die Galilei-Transformation verwendet wird (d.h. in Systemen, wo sich die Quelle mit ± v bewegt ist, breitet sich das Licht nicht mit c sondern mit c ± v aus).[A 58] Diese Theorie verstößt also gegen die Lichtkonstanz, genügt aber trotzdem dem Relativitätsprinzip und kann das MM-Experiment erklären. Auch Albert Einstein zog vor 1905 eine solche Hypothese kurz in Betracht,[B 9] was auch der Grund war, dass er in seinen späteren Schriften das MM-Experiment zwar immer als Bestätigung des Relativitätsprinzips, nicht aber als Bestätigung der Lichtkonstanz verwendete[B 10] Jedoch würde eine Emissionstheorie eine völlige Reformulierung der Elektrodynamik erfordern, wogegen der große Erfolg der maxwellschen Theorie sprach. Und schließlich gilt die Emissionstheore seit den Versuchen von Willem de Sitter (1913) als widerlegt, da bei einer solchen Theorie die beobachteten Bahnen bei Doppelsternen den Keplergesetzen scheinbar widersprechen müssten, was jedoch nicht beobachtet wurde.[A 59] Auch neuere Versuche mit hochfrequentem Licht bestätigen dieses Ergebnis und auch Versuche in Teilchenbeschleunigern konnten keine Quellenabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit nachweisen.

1909-1911 − Paul Ehrenfest präsentierte 1909 das nach ihm benannte ehrenfestsche Paradoxon, wonach aufgrund der Lorentzkontraktion sich der Umfang einer rotierenden Scheibe bei gleich bleibendem Radius verkürzt.[A 60] Dies stand im Zusammenhang mit der bereits von Einstein (1907) aufgeworfenen Frage, inwiefern der Begriff des starren Körpers in der SRT anwendbar sei, was 1909 u.a. von Max Born, Gustav Herglotz, Fritz Noether, und 1911 von Max von Laue untersucht wurde. Dabei erkannte Laue, dass in der SRT ein Körper unendlich viele Freiheitsgrade besitzt, d. h. es gibt überhaupt keine "starren" Körper.[B 11] Im Zusammenhang mit dem ehrenfestschen Paradoxon wurde von Vladimir Varičak (1911) die Frage diskutiert, ob die Längenkontraktion "real" oder "scheinbar" sei, und wo der Unterschied zwischen der dynamisch begründeten Kontraktion nach Lorentz und der kinematisch begründeten Kontraktion nach Einstein liegt.[A 61] Es handelte sich hierbei jedoch eher um einen Streit um Worte, denn wie Einstein und Pauli ausführten, ist die kinematische Längenkontraktion zwar insofern "scheinbar", da sie für einen mitbewegten Beobachter nicht existiert, jedoch für einen nicht mitbewegten Beobachter ist sie sehr wohl "real" und ihre Konsequenzen sind messbar.[B 11] Für Einstein war das ehrenfestsche Paradoxon jedenfalls ein wichtiger Fingerzeig bei seiner zu entwickelnden Gravitationstheorie im Zusammenhang mit der nicht-Euklidischen Geometrie.

1910-1913 − In einem Vortrag zwischen 1910-1912 diskutierte Lorentz die von Einstein geforderte Reziprozität der Zeitdilatation und damit zusammenhängend ein Uhrenparadoxon und analysierte ein ähnliches Situation wie in Einsteins §4. Lorentz zeigt, dass es sich nicht um ein Paradoxon handelt, wenn man bedenkt, das in einem System mit einer Uhr gemessen wird, im anderen jedoch mit 2 Uhren.[A 62] Paul Langevin kreierte 1911 mit dem berühmten Zwillingsparadoxon eine ähnliche Situation, indem der die Uhren mit Zwillingen ersetzte. Langevin löste das Paradoxon auf, indem er auf die Asymmetrie der beiden Beobachter hinwies, wonach ein Körper einen durch Beschleunigung verursachten Richtungswechsel vollführt. Langevin selbst sah das jedoch als Hinweis auf eine "absolute Bewegung" in einem Äther. [A 63] Obwohl diese Erklärung bis heute im Prinzip beibehalten wurde, werden seine Folgerungen in Bezug auf den Äther abgelehnt. Max von Laue (1913) wie z. B. darauf hin, dass die Beschleunigung in Bezug auf die inertiale Bewegung beliebig klein gemacht werden kann.[A 64] Dadurch konnte Laue zeigen, dass es von weit wichtigerer Bedeutung ist, dass sich der reisende Zwilling während seiner Reise beim Hin- und Rückflug in zwei Inertialsystemen befindet, während der zurückgebliebene Zwilling in einem einzigen verbleibt.[B 5]

1910-1915 − Die ersten Herleitungen der Relativität der Gleichzeitigkeit durch Synchronisation mit Lichtsignalen von Poincaré und Einstein wurden nun ebenfalls vereinfacht.[B 12] Daniel Frost Comstock (und ihm folgend 1912 Robert Daniel Carmichael) schlug 1910 vor, in der Mitte zwischen zwei bei A und B befindlichen Uhren einen Sender zu platzieren, welcher ein Signal an beide Uhren sendet, die wiederum bei Ankunft des Signals in Gang gesetzt werden. Im System in dem A und B ruhen, beginnen die Uhren synchron zu laufen. Jedoch aus der Sicht eines Systems, in dem A und B sich mit v bewegen, wird zuerst Uhr B in Gang gesetzt und danach erst Uhr A - die Uhren sind also nicht synchron.[A 65][A 66] Auch Einstein entwarf 1916 ein Modell mit einem allerdings bewegten Empfänger in der Mitte zwischen A und B. Auch ließ er das Signal nicht von der Mitte aus starten, sondern sandte umgekehrt zwei Signale von A nach B zum Empfänger. Aus der Sicht des Systems, in dem A und B ruhen werden die Signale gleichzeitig abgesendet - hier kommt jedoch der Empfänger dem Signal von B entgegen und läuft dem Signal von A davon und somit kommen die Signale nicht gleichzeitig an. Aus der Sicht des Systems hingegen, in dem der Empfänger ruht, interpretiert man dieses ungleichzeitige eintreffen damit, dass die Signale von vornherein nicht gleichzeitig von A und B gesendet wurden.[A 67]

1910-1911 − Es wurden nun auch Versuche gemacht, die Lorentz-Transformation ohne Einbeziehung des Postulats der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit herzuleiten. Waldemar von Ignatowsky z. B. benutzte zu diesem Zweck a) das Relativitätsprinzip, b) Isotropie und Homogenität und Raumes, c) die Forderung der Reziprozität.[A 68] Philipp Frank und Hermann Rothe zeigten nun auf, dass diese Herleitung unvollständig ist und auf anderen Zusatzannahmen beruhte, welche von Ignatowsky nicht aufgeführt wurden.[A 69] Ihre eigene Herleitung beruhte auf den Annahmen, dass a) die Lorentz-Transformation eine einparametrige, homogene lineare Gruppe bilden soll, b) dass bei Wechsel des Bezugssystems die Relativgeschwindigkeit nur das Vorzeichen wechselt, c) dass die Längenkontraktion ausschließlich von der Relativgeschwindigkeit abhängt. Sowohl Ignatowsky als auch Frank/Rothe waren jedoch nicht in der Lage, in den erhaltenen Transformationen die invariante Geschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit zu identifizieren. Somit gilt bis heute, dass beide Postulate für die Herleitung der Lorentz-Transformation notwendig sind.[B 11]

1912 − Richard C. Tolman entwickelte das Konzept der relativistischen Masse, indem er die Masse als Verhältnis von Impuls und Geschwindigkeit definierte, und nicht als Verhältnis von Kraft und Beschleunigung. Dadurch wurde die alte Definition für die longitudinale und transversale Masse überflüssig.[A 70]

Arnold Sommerfeld

1909-1915 − Max Born, Max Abraham, Gilbert Newton Lewis, Max von Laue und vor allem Arnold Sommerfeld entwickelten das Raumzeit-Konzept Minkowskis formal beträchtlich weiter. Sie entfernten einige umständliche Formulierungen und führten eine moderne Vektor-Notation ein.[B 8] Dies alles führte dazu, dass sich, obwohl experimentell nicht unterscheidbar, der wesentliche interpretatorische und philosophische Unterschied zwischen der lorentzschen Äthertheorie und der SRT immer mehr herauszukristallisieren begann. Es wurde nicht mehr der Begriff "Lorentz-Einstein-Theorie" benutzt und kaum noch jemand (mit Ausnahmen wie z.B. Lorentz, Poincaré, Langevin) bekannte sich noch zur Existenz eines Äthers in irgendeiner Form.[B 5] Einstein selbst war zu dieser Zeit schon intensiv mit der Ausarbeitung der allgemeinen Relativitätstheorie beschäftigt, wobei er 1915 schließlich zur Unterscheidung der Theorien erstmals des Ausdruck "Spezielle Relativitätstheorie" gebrauchte.

Zusammenfassung und Rückblick

Obwohl hier die geschichtliche Entwicklung im Vordergrund steht, ist rückblickend eine kurze Zusammenfassung aus größerem Abstand sinnvoll, zumal die Entwicklung sehr kompliziert verlaufen ist. Zunächst bestand ein Dilemma darin, dass zwar die Gleichungen der newtonschen Mechanik, nicht aber die der maxwellschen Elektrodynamik, die Eigenschaft der Invarianz gegen Galilei-Transformationen besitzen. Diesem Dilemma entsprach die Vorstellung eines speziellen Mediums, des Äthers, für die Phänomene der letztgenannten Theorie.

Nach wesentlichen Vorarbeiten von Lorentz und Poincaré stellte Einstein in der speziellen Relativitätstheorie fest

Bezüglich der Abschaffung des Äthers und der Einführung neuer Vorstellungen zu Raum und Zeit waren Poincaré und Lorentz anderer Meinung als Einstein[B 13]. Rückblickend kann man also sagen, dass Einstein „revolutionär“, Poincaré und Lorentz dagegen „konservativ“ eingestellt waren. Letztlich hat sich Einstein durchgesetzt.

Kritik

Einige wie Albert Abraham Michelson, Ernst Mach, Max Abraham, Walter Ritz, Georges Sagnac, Menyhért Palágyi, Hugo Dingler, Emanuel Lasker, Salomo Friedlaender, Henri Bergson, Hjalmar Mellin, Herbert Dingle, Louis Essen, Herbert E. Ives lehnten die SRT aus unterschiedlichen Gründen ab. (Dazu kommen noch Philipp Lenard, Johannes Stark, Ernst Gehrcke, Paul Weyland, Bruno Thüring im Zusammenhang mit der antisemitischen Deutschen Physik). Für nähere Details siehe den Artikel → Kritik an der Relativitätstheorie.

Priorität

Edmund Taylor Whittaker sprach 1953 in der zweiten Auflage seiner bekannten History of the theories of aether and electricity von der Relativitätstheorie als der Schöpfung von Lorentz und Poincaré und maß Einsteins Beiträgen nur sekundäre Bedeutung bei. Dies ist jedoch nicht die Meinung der überwiegenden Mehrheit der Fachwelt. Poincarés Beiträge zum Relativitätsprinzip werden zwar anerkannt, und einige[B 14] gehen soweit, auch Poincarés Theorie als eine Art Relativitätstheorie (wenn auch nicht die Selbe wie Einsteins) zu bezeichnen, jedoch Wissenschaftshistoriker wie Gerald Holton, Arthur I. Miller, Abraham Pais, und John Stachel betonen, dass Einstein als Erster die vollständige Relativierung von Raum und Zeit an sich lehrte und den (klassischen) Äther aus der Physik verbannte, wodurch erst der Weg in eine grundlegend neue Physik geebnet wurde.

Einschätzungen von Lorentz und Poincaré

In einer 1914 geschriebenen, aber erst 1921 veröffentlichten Arbeit würdigte Lorentz vor allem Poincaré für seine Arbeiten von 1905/1906. Er verwies auf Poincaré als den ersten, der den physikalischen Gehalt der Ortszeit erkannte habe, während er selbst sie als mathematischen Trick angesehen habe. Deswegen habe er zuerst nicht selbst die korrekte Anwendung der Transformation geben können, sondern das wurde zuerst von Poincaré und später von Einstein und Minkowski getan. Nicht er selbst, sondern zuerst Poincaré habe die grundlegende Bedeutung des Relativitätsprinzips für die Elektrodynamik erkannt und als erster den Begriff „Postulat“ dafür verwendet. Zuletzt wies er auf die (im Abschnitt „Lorentz-Transformation“ dargestellten) von Poincaré gemachten grundlegenden Erkenntnisse hin.[A 71] 1916 in seinem Hauptwerk „The theory of electrons“ erwähnte Lorentz im selben Zusammenhang allerdings nur noch Einstein.[A 72][B 4]

Andererseits deutete Michelson 1927 an, dass Lorentz der Urheber der Relativitätstheorie sei. Lorentz antwortete, dass er seine Zeittransformation zu der Zeit als Einstein seine Theorie erstellte nur als heuristische Arbeitshypothese betrachtete und die Relativitätstheorie auch wirklich allein Einsteins Werk sei. Und es könne keinen Zweifel geben, dass Einstein sie entdeckt hätte, selbst wenn die Arbeit seiner Vorgänger auf diesem Gebiet überhaupt nicht gemacht worden wäre.[A 73]

Poincaré hingegen stellte die neuen Theorien immer als Schöpfung von Lorentz dar und sah keinen Grund, Einstein und Minkowski im Zusammenhang mit diesen Theorien überhaupt zu erwähnen. So schreibt er noch 1912 kurz vor seinem Tod zu der Frage, ob die „lorentzsche Mechanik“ auch nach der Entwicklung der Quantentheorie Bestand haben wird:[A 74]

„In allen den Punkten, in denen die lorentzsche Mechanik von der newtonschen abweicht, bleibt sie zu Recht bestehen. Man glaubt nach wie vor, dass ein beweglicher Körper unter keinen Umständen jemals eine größere Geschwindigkeit als die des Lichtes annehmen kann, dass die Masse eines Körpers keine unveränderliche Größe ist, sondern von seiner Geschwindigkeit abhängt und von dem Winkel, den diese Geschwindigkeit mit der auf den Körper wirkenden Kraft einschließt, ferner, dass kein Versuch jemals wird entscheiden können, ob ein Körper, absolut genommen, sich im Zustande der Ruhe oder in dem der Bewegung befinde, sei es nun in Bezug auf den Raum als solchen, sei es selbst in Bezug auf den Äther.“

Einschätzungen und Quellen von Einstein

Einstein dürfte nach neueren Erkenntnissen im Jahre 1905 über den Stand der damaligen Physik recht gut Bescheid gewusst haben. So veröffentlichte er in den "Beiblätter zu den Annalen der Physik" allein im Jahr 1905 21 Reviews über vor allem thermodynamische Arbeiten aus verschiedenen Journalen.[B 15] Jürgen Renn, Direktor vom Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte, schrieb:[B 16]

„The Annalen also served as a source of modest additional income for Einstein, who wrote more than twenty reports for its Beiblätter - mainly on the theory of heat - thus demonstrating an impressive mastery of the contemporary literature. This activity started in 1905 and probably resulted from his earlier publications in the Annalen in this field. Going by his publications between 1900 and early 1905, one would conclude that Einstein's specialty was thermodynamics.“

„Die Annalen dienten ebenso als eine Quelle für ein bescheidenes, zusätzliches Einkommen für Einstein, der mehr als zwanzig Berichte für ihre Beiblätter schrieb - hauptsächlich über die Theorie der Wärme - und so eine eindrucksvolle Beherrschung der zeitgenössischen Literatur demonstrierte. Diese Aktivität begann 1905 und resultierte wahrscheinlich aus seinen früheren Publikationen in den Annalen auf diesem Gebiet. Von seinen Publikationen zwischen 1900 und Anfang 1905 ausgehend, könnte man schließen dass Einsteins Spezialgebiet die Thermodynamik war.“

Einsteins Arbeit zur Elektrodynamik (1905) enthält keine Referenzen zu anderen Werken. Trotzdem versuchten einige Wissenschaftshistoriker wie Holton, Miller, Stachel, oder Norton, einige Quellen Einsteins aufzuspüren.[1][B 5][B 17][B 9] Eine wichtige Quelle war wohl August Föppls Lehrbuch zur Elektrodynamik (1894), welches Maxwells Theorie in der Formulierung von Heaviside und Hertz enthielt. Föppls Buch enthielt auch eine Variante des für Einstein im Zusammenhang mit dem Relativitätsprinzip wichtigen "Bewegter-Magnet-und-Leiter" Problems. In §10 verwendet er "in Anlehnung an die übliche Betrachtungsweise" wortwörtlich Abrahams Begriffe der transversalen und longitudinalen Masse. Ebenso der von Einstein gebrauchte Ausdruck "Maxwell-Hertzsche Gleichungen" stammt von Abraham. In §9 erwähnt er die "lorentzsche Theorie der Elektrodynamik" wobei Einstein später erklärte, dass er tatsächlich vor 1905 die Arbeit von Lorentz (1895), wo dieser die Ortszeit, die Längenkontraktion, und das Michelson-Morley-Experiment beschrieb, gelesen habe.[B 18] Er kam dabei zur Überzeugung, dass die Ortszeit eine reale, gleichberechtigte Zeitangabe sei, und nicht nur ein mathematischer Trick.[A 52] Wie er 1909 ausführte, entnahm Einstein das Prinzip der Lichtkonstanz dem lorentzschen Äther (bzw. den "Maxwell-Lorentzschen" Gleichungen), er erklärte jedoch im Gegensatz zu Poincaré und Lorentz, dass gerade die Gleichberechtigung der Bezugssysteme und damit die Unentdeckbarkeit des Äthers den Ätherbegriff überhaupt sinnlos machte.[A 75] 1912 fasste der dies so zusammen:[A 76]

„Es ist allgemein bekannt, dass auf das Relativitätsprinzip allein eine Theorie der Transformationsgesetze von Raum und Zeit nicht gegründet werden kann. Es hängt dies bekanntlich mit der Relativität der Begriffe "Gleichzeitigkeit" und "Gestalt bewegter Körper" zusammen. Um diese Lücke auszufüllen, führte ich das der H.A. Lorentzschen Theorie des ruhenden Lichtäthers entlehnte Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ein, das ebenso wie das Relativitätsprinzip eine physikalische Voraussetzung enthält, die nur durch die einschlägigen Erfahrungen gerechtfertigt erschien (Versuche von Fizeau, Rowland usw.).“

Es ist auch bekannt,[B 19] dass er Poincarés Buch „Wissenschaft und Hypothese“ und somit dessen Ausführungen zum Relativitätsprinzip vor 1905 las. In seinen wissenschaftlichen Schriften bezieht sich Einstein auf Poincaré nur im Zusammenhang mit der Trägheit der Energie (1906)[A 46] und der nichteuklidischen Geometrie (1921),[A 77] nicht jedoch auf dessen Leistungen bei der Formulierung der Lorentztransformation, Synchronisierung von Uhren oder des Relativitätsprinzips. Jedoch in den letzten Jahren seines Lebens anerkannte er einige von Poincarés Leistungen wie z. B. zur Lorentztransformation (nach Darrigol vielleicht deswegen, weil Abraham Pais um 1950 Einstein eine Kopie von Poincarés Palermo-Arbeit überlassen hatte). Einstein schrieb 1953 an Carl Seelig (wobei allerdings auch Poincaré bereits die Lorentz-Invarianz als Grundbedingung für alle Theorien betont hatte):[B 18]

„Es ist zweifellos, dass die spezielle Relativitätstheorie, wenn wir ihre Entwicklung rückschauend betrachten, im Jahre 1905 reif zur Entdeckung war. Lorentz hatte schon erkannt, dass für die Analyse der maxwellschen Gleichungen die später nach ihm benannte Transformation wesentlich sei, und Poincaré hat diese Erkenntnis noch vertieft. Was mich betrifft, so kannte ich nur Lorentz bedeutendes Werk von 1895 "La theorie electromagnetique de Maxwell" und "Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen bewegten Körpern", aber nicht Lorentz' spätere Arbeiten, und auch nicht die daran anschließende Untersuchung von Poincaré. In diesem Sinne war meine Arbeit von 1905 selbständig. [..] Was dabei neu war, war die Erkenntnis, dass die Bedeutung der Lorentztransformation über den Zusammenhang mit den maxwellschen Gleichungen hinausging und das Wesen von Raum und Zeit im allgemeinen betraf. Auch war die Einsicht neu, dass die "Lorentz-Invarianz" eine allgemeine Bedingung sei für jede physikalische Theorie.“

Siehe auch

Primärquellen

Einzelnachweise zur Primärliteratur
  1. Fresnel (1816)
  2. Stokes (1845)
  3. Maxwell (1864)
  4. Thomson (1881)
  5. Michelson (1881)
  6. Lorentz (1886)
  7. Michelson (1886)
  8. Voigt (1887)
  9. Michelson (1887)
  10. Heaviside (1889)
  11. Fitzgerald (1889)
  12. Hertz (1890a)
  13. Hertz (1890b)
  14. Lorentz (1892a)
  15. Lorentz (1892b)
  16. Lorentz (1895)
  17. Poincare (1895)
  18. Larmor (1897)
  19. Larmor (1900)
  20. Poincare (1898)
  21. Lorentz (1899)
  22. Poincare (1900a)
  23. Poincare (1900b)
  24. Wien (1900)
  25. Cohn (1901)
  26. Palagyi (1901)
  27. Poincare (1902)
  28. Kaufmann (1902)
  29. Abraham (1902)
  30. Abraham (1903)
  31. Lorentz (1904)
  32. Cohn (1904)
  33. Abraham (1904)
  34. Poincare (1904)
  35. Hasenöhrl (1904)
  36. Hasenöhrl (1905)
  37. Poincare (1905b)
  38. Brief Nr. 1, Mai 1905
  39. Brief Nr. 2, Mai 1905
  40. Einstein (1905a)
  41. Einstein (1905b)
  42. Poincare (1906)
  43. Kaufmann (1906)
  44. Planck (1906a)
  45. Planck (1906b)
  46. a b Einstein (1906)
  47. Mosengeil (1907)
  48. Planck (1908)
  49. Laub (1907)
  50. Laue (1907)
  51. Einstein (1907)
  52. a b Einstein (1908)
  53. Minkowski (1907)
  54. Minkowski (1908)
  55. Einstein (1908b)
  56. Bucherer (1908)
  57. Neumann (1914)
  58. Ritz (1908) Emissionstheorie - Englische Übersetzung
  59. De Sitter (1913)
  60. Ehrenfest (1909)
  61. Varicak (1911)
  62. Lorentz (1931)
  63. Langevin (1911)
  64. Laue (1913)
  65. Comstock (1910)
  66. Carmichael (1913)
  67. Einstein (1916)
  68. Ignatowsky (1910)
  69. Frank (1911)
  70. Tolman (1912)
  71. Lorentz (1921)
  72. Lorentz (1916)
  73. Lorentz (1928)
  74. Poincare (1913)
  75. Einstein (1909)
  76. Einstein (1912)
  77. Einstein (1922)

Sekundärquellen

Nicht-Mainstream
Einzelnachweise zur Sekundärliteratur
  1. a b c d Hentschel (1990)
  2. a b c d Whittaker (1910)
  3. a b c d Janssen/Stachel (2004)
  4. a b c Janssen (1995 und 2007)
  5. a b c d e f g h Miller (1981)
  6. Galison (2003)
  7. Darrigol (2005)
  8. a b c Walter (2007)
  9. a b Norton (2004)
  10. Stachel (1982)
  11. a b c Pauli (1921)
  12. Bjerknes (2002)
  13. Siehe dazu diesen Wikipedia-Artikel
  14. Walter (2005)
  15. Die Titel von 21 Reviews sind in der Inhaltsangabe von "The Collected Papers of Albert Einstein, Volume 2" aufgelistet. Siehe online.
  16. Renn, J.,: Albert Einstein in den Annalen der Physik, 2005
  17. Stachel (1982), Sekundärquellen
  18. a b Born (1956), p.193
  19. Darrigol (2004), p. 624