Untertitel: Einsteins Zwillingsbruder

Unser erster Streifzug durch die Physik ist damit aber noch nicht ganz zu Ende. Ein weiterer Gigant unter den Physikern betritt die Bühne: Albert Einstein. Mit ihm kommt die Relativitätstheorie ins Spiel und ein Effekt, der erst im Jahre 2004 experimentell bestätigt werden konnte.

Die berühmte Relativitätstheorie hat zwei Teile. Der erste wurde 1905 veröffentlicht und wird heute als spezielle Relativitätstheorie (SRT) bezeichnet. Der zweite Teil ist aus dem Jahr 1916 und heißt allgemeine Relativitätstheorie (ART). Zugegeben, die Theorien sind ziemlich schwere Kost und werden daher erst in der 8. Klasse genau besprochen. Wir werden uns hier deshalb nur zwei Details herausgreifen. Das erste führt uns noch einmal zu Popper zurück, und das zweite schließt das Kapitel des freien Falls ab.

Die SRT macht kuriose Voraussagen, unter anderem die, dass die Zeit umso langsamer vergeht, je schneller man sich bewegt! Die Sache mit den Zwillingen könnte also im Prinzip tatsächlich klappen (F10). Die Geschichte ist sehr bekannt und wird auch Zwillingsparadoxon genannt. Dieser Effekt wurde mit sehr hoher Genauigkeit im Experiment nachgewiesen, allerdings nicht mit Zwillingen, sondern mit zerfallenden Elementarteilchen, den Myonen.

Denken wir noch einmal an Popper zurück. Er meinte, dass eine Theorie umso sinnvoller ist, je leichter sie widerlegt, also falsifiziert werden kann. Ist die Relativitätstheorie in diesem Sinne eine gute Theorie? Ja, sie ist sogar sehr gut! Sie ist nicht nur in sich völlig schlüssig, sie macht vor allem sehr konkrete und dadurch leicht widerlegbare Aussagen. Hätte man seit 1905 auch nur ein einziges Experiment entdeckt, das nicht mit der Theorie übereingestimmt hätte, so wäre die gesamte Theorie widerlegt. Alle durchgeführten Experimente führten jedoch zu einer Bestätigung. Und das bringt uns zur ART und einem Experiment aus dem Jahr 2004.

In einer umfangreichen Theorie steckt oft sehr viel drinnen, was erst nach und nach entdeckt wird. Zum Beispiel sagt die ART die Möglichkeit von schwarzen Löchern voraus. Das sind so eine Art kosmische Staubsauger, deren Anziehungskraft so stark ist, dass nicht einmal das Licht entweichen kann. Daher kommt auch der Name. Tatsächlich wurde die Existenz von schwarzen Löchern bereits indirekt belegt.

Die ART sagt auch - vereinfacht gesagt - voraus, dass der Raum um einen Planeten wie die Erde sich wie klebriger Sirup verhält und mit der Drehung mitgezogen wird. Dieser Effekt ist ebenfalls eine Ableitung (also eine Deduktion) aus der ART. Er wurde von den Österreichischen Physikern Thirring und Lense bereits 1918 vorhergesagt. Manchmal muss man sehr viel Geduld haben, bis eine Vorhersage tatsächlich auch im Experiment belegt werden kann. Denn in diesem Fall gelang das erst 86 Jahre später, nämlich 2004.

Erinnere dich: Newton hat festgestellt, dass sich Satelliten im freien Fall um die Erde befinden. Wie können diese Bahnen aussehen? Nehmen wir der Einfachheit halber an, es handelt sich um Kreisbahnen (es könnten nämlich auch Ellipsen sein). Der Mittelpunkt dieser Kreisbahnen muss mit dem Massenzentrum der Erde zusammenfallen (F11; siehe auch folgende Abb.). Bahn c (Abb. bei F11) ist also nicht möglich. Außerdem hätte Newton gesagt, dass die Bahnen geschlossen sein müssen, dass also ein Satellit nach einer Umrundung wieder genau an derselben Stelle ist.

Maßstabsgetreue Darstellung von Satellitenpositionen: Jeder der Punkte stellt einen Satelliten dar. Besonders viele befinden sich in einigen 100 km Entfernung von der Erde (Beispiel: Der Radar-Satellit ERS-1). Die GPS-Satelliten fliegen in einer Höhe von etwa 20 000 km (eine Bahn ist exemplarisch eingezeichnet), die geostationären Satelliten in einer Höhe von 36 000 km (Beispiel Astra 1B, einer der TV-Satelliten). Alle diese Satelliten kreisen so, dass der Erdmittelpunkt in ihrer Bahnebene liegt.

Und jetzt kommt Einstein mit seiner ART ins Spiel. Aus dieser lässt sich ableiten, dass der Raum um die Erde durch die Drehung wie Sirup etwas mitgezogen wird. Was bedeutet das für den freien Fall des Satelliten? Dass seine Kreisbahn nicht ganz geschlossen ist! Das sieht dann so aus wie in der Abbildung 1.13.

Durch den Thirring-Lense-Effekt zieht die rotierende Erde den Raum mit sich herum und die Satellitenbahnen sind nicht geschlossen.

Dieser Effekt wurde im Jahr 2004 mit Hilfe von zwei Satelliten auf 6% genau belegt. Die Abweichungen sind im Übrigen winzig. Sie machen in einem ganzen Jahr nur etwa 1 m aus und werden von vielen anderen Effekten überlagert. Die Messung war also eine technische Meisterleistung.

Die Newton'sche Mechanik sagt diesen Effekt nicht voraus. Die Theorie des freien Falls eines Satelliten um die Erde kann nur mit der ART wirklich exakt berechnet werden. Damit endet die Geschichte des freien Falls, die vier Jahrhunderte v. Chr. begonnen hat, zumindest für den Moment im Jahr 2004.

Zusammenfassung

Wenn man in der Wissenschaft eine Hypothese aufstellt, muss man diese auch durch Experimente absichern. Nur dann kann diese zu einer Theorie werden. Weil man nur eine endliche Anzahl von Experimenten machen kann, ist der Vorgang der Induktion leider nicht zu 100 % sicher. Deshalb können Experimente eine Theorie zwar widerlegen, aber niemals beweisen. Weiters ist eine Theorie nur dann sinnvoll, wenn sie auch falsifizierbar ist. Aus einer fertigen Theorie lassen sich wieder Spezialfälle deduzieren, etwa der freie Fall aus den allgemeinen Gesetzen der Mechanik oder die Satellitenbahnen aus der ART. Dass sich eine Theorie als völlig falsch herausstellt, kommt selten vor. Meist wird sie durch neue Erkenntnisse verbessert und genauer. Im Alltag kommt man mit den Fallgesetzen des Galilei auch heute noch recht gut über die Runden. Wenn man aber etwas ganz exakt haben möchte (etwa die Satellitenbahnen), dann muss die Relativitätstheorie her.

Relativitätstheorie und freier Fall