Interessantes zu Theoretischer Physik

Relativitätstheorie, Einstein, Relativität unserer Realität

Relativitätstheorie beschreibt beobachterspezifische Realität

Dass die Aussagen der Relativitätstheorie in populärwissenschaftlicher Literatur oft recht irreführend formuliert sind, ist eine Sache. Eine ganz andere aber ist, dass selbst Hochschullehrer für Theoretische Physik sich gelegentlich allzu ungenau ausdrücken.

Ein Beispiel hierfür ist folgende Aussage von Heinrich Päs, Professor für Theoretische Physik: Im Video Physik der Zeitreise: Schritt 3 – Paradoxien der Zeitreise sagt und schreibt er (ab Min 8:59):

"Nach Einsteins Relativitätstheorie
läuft die Zeit langsamer, je schneller man sich bewegt."


Diese Formulierung ist in gleich zweierlei Hinsicht falsch und irreführend, denn:
 

Da nun also das, was der Beobachter erkennt, dem widerspricht, was das Objekt erkennt, ist offen­sichtlich, dass die von beiden beim jeweils anderen beobachtete Dehnung (Dilatation) der Zeit nicht wirklich sein kann, dort also so nicht eintritt:

Beider Eindruck ist einfach nur Teil ihrer eigenen, subjektiven Realität.

Was ihre Realität subjektiv macht, ist die Tatsache, dass sie aus unterschiedlichen Bezugssystemen argumentieren: aus Bezugssystemen, die nicht äquivalent, da relativ zueinander bewegt sind.

Dass diese beiden Wahrnehmungen der Wirklichkeit einander widersprechen, lässt sich beobachtungs­technisch begründen, wenn man weiß, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist und Licht sich relativ zu jedem Objekt mit ein und derselben Geschwindigkeit bewegt. Einstein hat uns das 1905 als erster vor­gerechnet.

Sind Beobachter, das beobachtete Objekt oder gar beide beschleunigt, wird all das noch kompli­zierter, ist dann aber Gegenstand von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.


Note: Da es Personen gibt, die denken, meine Wendung "Aus Sicht von ..." könne missverstanden werden, sei erklärt: "Aus Sicht von X" ist zu lesen als "Beurteilt aus einem Koordinatensystem heraus, in dem X ruht".


Wie einfach es ist, das Relativitätsprinzip in Worten zu beschreiben, die — ganz anders als die von Päs gewählten — kein Missverständnis zulassen, zeigen die Erklärung der Zeitdilatation in Wikipedia und vor allem auch der Physiker Kip S. Thorne, in dessen Buch » Gekrümmter Raum und verbogene Zeit « man auf Seite 84 liest:

Gemäß dem Relativitätsprinzip erscheint es Ihnen so,
als ob meine Zeit langsamer verliefe als die Zeit in ihrem dahinrasenden Auto.

Sie haben den Eindruck, als ticke meine Uhr in der Polizeistation langsamer als Ihre im Auto.

Und in Ihren Augen bin ich derjenige, der langsamer spricht,
dessen Haar langsamer wächst und der langsamer altert.


Dass sich die Subjektivität der Wahrnehmung beseitigen lässt, wenn der Beobachter berücksichtigt, wie unterschiedlich lange Information unterwegs war, bis sie ihn erreicht hat, beweist das GPS System.


Insgesamt ist nun klar: Die oben zitierte Aussage von Päs muss ersetzt werden durch:


Bewegte Uhren scheinen langsamer zu gehen:
Jeder Beobachter, relativ zu dem die Uhr sich bewegt, hat diesen Eindruck.

Das Ausmaß allerdings, in dem unterschiedliche Beobachter eine bewegte Uhr langsamer gehen sehen,
kann von Beobachter zu Beobachter verschieden groß sein. Kurz:

Wie schnell ein Beobachter eine Uhr gehen sieht, hängt davon ab,
wie schnell er sich ihr gegenüber bewegt.


Wichtig ist noch, dass all das nur in Abwesenheit von Beschleunigung gilt. Sobald ein Beobachter, ein beobach­tetes Objekt oder gar beide beschleunigt sind, wird die Sache komplizierter, da beschleunigte Uhren stets langsamer gehen und beschleunigte Objekte stets weniger schnell altern.

Der allgemeine Fall wird treffend beschrieben durch eine Formulierung, die ebenfalls von Heinrich Päs stammt (private Kommunikation vom 22.4.2016): Es geht um


"zwei Bezugsysteme:
Im einen bewegt sich der Beobachter und dort vergeht seine Zeit langsamer.
Im anderen bewegt sich der Beobachter nicht, hier bewegt sich das Objekt, und hier vergeht dessen Zeit langsamer.

Die Unbestimmtheit, welches System als Ruhesystem gilt, gilt dabei nur für Inertialsysteme.
Sobald eines der Systeme beschleunigt wird,
vergeht dort die Zeit langsamer, egal in welchem System Sie messen."


Vorsicht aber: Es gibt nicht das Ruhesystem, sondern nur Systeme, in denen der Beobachter ruht, und andere, in denen das relativ zu ihm bewegte Objekt ruht. Und natürlich gibt es auch den Fall, dass beide beschleunigt sind, vielleicht auch unterschiedlich stark und in unterschiedlicher Richtung.

Zusammenfassend lässt sich sagen:


Einstein hat erkannt, dass es Zeit und Raum als absolute Begriffe gar nicht gibt. Wenn wir von Zeit spre­chen, meinen wir damit immer einen beobachterspezifisch definierten Zeitbegriff.

Und so ist denn auch die Aussage

Bewegte Objekte altern langsamer.

immer zu verstehen als:

Bezogen auf den Zeitbegriff des Beobachters gilt:
Relativ zum Beobachter bewegte Objekte altern langsamer.


Der Zeitbegriff des Beobachters ergibt sich durch die Wahl eines Koordinatensystems, in dem dieser Beo­bachter ruht.

Konsequenz daraus ist (zitiert nach Kip Thorne): Wenn Sie und ich uns relativ zueinander bewegen, muss das, was ich als Raum bezeichne, eine Mischung aus Ihrem Raum und Ihrer Zeit sein, und das, was Sie Raum nennen, eine Mischung aus meinem Raum und meiner Zeit.


Note: Der raumzeitliche Abstand s zweier Objekte wird gemessen über die sog. Minkowski-Metrik, die den üblichen Abstandsbegriff im 3-dimensionalen euklidischen Raum in die Zeitdimension hinein verall­gemeinert:

ds2 = c2dt2 – ( dx2 + dy2 + dz2 )


Hier steht c für die im 3-dimensionalen Raum beobachtete Lichtgeschwindigkeit. Letztlich also gilt für jeden Beobachter B und für jeden raumzeitlichen Abstand s

s2 = c2 t(B)2 – r(B)2 ,

wo t(B) und r(B) das darstellen, was ein Beobachter als Zeit und Raum wahrnimmt. Sofern Beobachter sich zueinander bewegen, werden für sie diese beiden "Schatten" der Raumzeit unterschiedlich groß sein. Dies meint, wer davon spricht, dass Zeit und Raum relativ seien.

Letztlich sind Raum und Zeit nur vom Menschen geschaffene Begriffe, die ihm helfen, sich das Verhalten der Natur zu erklären (so schrieb Marcelo Gleiser, Physiker und Astronom).

Eindeutig — d.h. aus Sicht aller Beobachter gleich groß — ist nur der raumzeitliche Abstand zweier Er­eig­nisse (d.h. ihr Abstand ds unter der Minkowski-Metrik).


Nebenbei: Erkenntnisse der Physik scheinen mir besonders überlegt und treffend formuliert in Büchern von Kip S. Thorne, Martin Carrier, Lothar Schäfer und Josef Hohnerkamp.
Wissenswertes zu "Relativität unserer Realität, Einstein, Relativitätstheorie" zusammengestellt durch Gebhard Greiter.
tags: Beobachter1gegreit Objekt1gegreit Relativitätstheorie1gegreit