Das Relativitätsprinzip von Galilei und Einsteins Gedankenexperiment

Dieses besagt, dass es für einen Betrachter innerhalb eines Inertialsystems unmöglich ist, o festzustellen, ob er in Bewegung ist oder nicht. Auch hierfür hilft uns ein Zugbeispiel: Angenommen der Zug fährt auf einem geraden Zug Gleis mit einer konstanten Geschwindigkeit. Zusätzlich hat der Zug keine Fenster. Nun meinte Galilei es sei unmöglich für eine Person im Inertialsystem Zug festzustellen, ob dieser in Bewegung, oder am Bahnhof in Ruhelage ist.

Keine Messung, nicht der Flügelschlag eines Schmetterlings oder die Geschwindigkeit eines fallenden Objekts, könnte Ausschlag über den Bewegungszustandes des Zuges geben. Um dies zu tun bräuchte es einen äußeren Bezugsrahmen.

Einsteins Gedankenexperiment

Zur Zeit Einsteins waren zwei Dinge gewiss: Das Relativitätsprinzip von Galilei (innerhalb eines Inertialsystems, in welchem alle Objekte in derselben gleichförmigen geradlinigen Bewegung sind, ist es unmöglich festzustellen, ob man in Bewegung ist oder ruht.) und das Lichtgeschwindigkeit die schnellstmögliche Geschwindigkeit ist und diese 299 792 458 m/s beträgt. Diese beiden Kenntnisse der Physik bewegten den 16 Jahre alten Einstein zu einem Gedankenexperiment. Auch wenn ein Gedankenexperiment in diesem Sinne kein physikalischer Versuch ist, kann es dennoch physikalische Theorien unterstützen oder wiederlegen.

So stellte sich Einstein vor, wie er mit Lichtgeschwindigkeit mit einem Spiegel in der Hand durchs All düste. Aus dem Alltag wissen wir, dass sich zusammengesetzte Geschwindigkeiten aufaddieren. Angenommen du fährst mit dem Fahrrad 10 m/s und wirfst auf diesem einen Ball in Fahrtrichtung mit 5 km/h, dann addieren sich die beiden Geschwindigkeiten zu 15 km/h. Mit Lichtgeschwindigkeit funktioniert das aber anders, da 299 792 458 m/s der Maximalwert ist. In Einsteins Gedankenexperiment hat er eine Geschwindigkeit von 299 792 458 m/s. Das Licht, welches sein Gesicht reflektiert, bewegt sich ebenfalls mit einer Geschwindigkeit von 299 792 458 m/s. fort.

Würden sich die beiden Geschwindigkeiten aufaddieren, dann würde Licht eine Geschwindigkeit von fast 600 000 000 m/s annehmen was aber nicht geht, da Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Die andere Option wäre, dass das Licht Einsteins Gesicht mit Lichtgeschwindigkeit verlässt und dieser das Licht im selben Moment „einholt“. Damit wäre die Geschwindigkeitsdifferenz 0 und die Lichtstrahlen würden nie den Spiegel erreichen. So wüsste Einstein das er in Bewegung ist, was aber dem Relativitätsprinzip von Galilei wiederspräche. Welcher dieser beiden Annahmen ist nun also falsch?

Auf diesen Konflikt ist schon der ein oder andere Physiker vor ihm gestoßen, aber Einstein war der erste, der diesen scheinbaren Widerspruch akzeptierte und mit diesem weiter Mathematik betrieb. Oft in der Wissenschaft wurden diejenigen belohnt, die einfach weiterrechneten, auch wenn sich die Ergebnisse ihrer Weltanschauung entgegensetzten.

Die Lösung

Einige werden Einsteins berühmten Satz „Bewegte Uhren drehen langsamer“ kennen. Einsteins Schlussfolgerung aus dem Gedankenexperiment war diese: Ob Einstein sein Spiegelbild sieht oder nicht, ist RELATIV zum Beobachter! Einstein würde sein Spiegelbild ganz normal sehen und er würde nach dem Relativitätsprinzip keine Veränderung wahrnehmen. Gleichzeitig würde ein Beobachter auf der Erde den Einstein vorbeiflitzen sehen, welcher vor einem leeren Spiegel steht.

Auch wenn es höchst unwahrscheinlich klingt schloss Einstein daraus, dass sowohl Zeiten, Längenmaße als auch Masse unterschiedlich sein können, abhängig vom Inertialsystem in dem sich der Beobachter befindet.