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Transkript Physik vor Einstein

Hallo und herzlich willkommen bei Physik mit Kalle. Wir wollen uns heute im ersten Video zum Thema spezielle Relativitätstheorie die Physik vor Einstein genauer ansehen. Wir lernen heute: Was die spezielle Relativitätstheorie ist, wie die Physik vor Einstein aussah, im Speziellen, was eigentlich genau der Äther ist und zum Schluss sehen wir uns noch das Michelson-Morley-Experiment an. Dann wollen wir mal. Was ist denn nun die spezielle Relativitätstheorie? Allgemein kann man sagen, die von Einstein entwickelte Relativitätstheorie beschäftigt sich mit der Beschaffenheit von Raum und Zeit. Man unterteilt sie in die zuerst veröffentlichte spezielle Relativitätstheorie und die später veröffentlichte allgemeine Relativitätstheorie. In der Schule wird allerdings nur die spezielle besprochen. Die zuerst 1905 vorgestellte spezielle Relativitätstheorie, die ich eventuell mit SRT abkürzen werde, behandelt besonders die Phänomene, die bei 2 sich relativ zueinander bewegenden Beobachtern auftreten. Ihr werdet in den folgenden Videos sehen, die spezielle Relativitätstheorie revolutionierte das Verständnis von Raum und Zeit. Aber damit wir verstehen, warum das so war, müssen wir uns erst einmal ansehen, was für ein Verständnis von Raum und Zeit man damals eigentlich hatte. Und deshalb sehen wir uns im nächsten Kapitel an, wie denn genau die Physik vor Einstein aussah. Eine der großen Regeln, über deren Richtigkeit man sich vor der Relativitätstheorie absolut einig war, war die folgende: Raum und Zeit sind absolut und voneinander unabhängig. Was das bedeutet, lässt sich gar nicht so einfach zusammenfassen. Es heißt zum Beispiel das Raum und Zeit in alle Richtungen, das heißt für den Raum in die verschiedenen Raumrichtungen, für die Zeit in Vergangenheit und Zukunft, unendlich weit ausgedehnt sind und überall gleich beschaffen sind. Es heißt zum Beispiel auch, dass der Raum nicht vom Beobachter abhängt oder von den Objekten, die er enthält. Eine ähnliche Bemerkung machte Newton über die Zeit. Er sagte, die Zeit verfließt gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendwelche äußeren Gegenstände. Zusammenfassend kann man also sagen: In der Physik vor Einstein beeinflussen sich Raum und Zeit nicht gegenseitig und sind auch durch physikalische Vorgänge nicht änderbar. Eine weitere wichtige Regel war das galileische Relativitätsprinzip, das für alle Vorgänge in der Mechanik galt. Alle Inertialsysteme - ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem der Trägheitssatz gilt - sind gleichberechtigt. Anders gesagt: Egal, aus welchem Inertialsystem heraus ich eine Bewegung beobachte und sie dann mit Formeln beschreibe, die Beschreibung ist richtig. Es gibt kein Inertialsystem, das korrekter ist als die anderen. Eine wichtige Ausnahme war, dass man dieses Prinzip nicht für das Licht anwenden durfte, da man damals von der Richtigkeit der Äthertheorie überzeugt war. Und was diese Äthertheorie genau war, das wollen wir uns jetzt im nächsten Kapitel genauer ansehen. Die Äthertheorie besagt, dass das Licht zur Ausbreitung - genau wie zum Beispiel der Schall - ein Trägermedium benötigt, nämlich den unsichtbaren Äther. Da man auch Licht von anderen Sternen sehen kann, muss dieser Äther also wohl das gesamte Universum durchwehen. Im Bild seht ihr eine einfache Skizze der Erde, wie sie um die Sonne kreist und sich dabei durch den Ätherwind bewegt. Und das bringt uns auch zur wichtigsten Folge der Äthertheorie. Stellt euch vor, ich schalte jetzt auf der Erde eine Glühbirne an. Dann hat das Licht in gewissen Richtungen sozusagen Rückenwind. Das heißt, dass Licht der Glühbirne sollte, sich nicht in alle Richtungen gleich schnell ausbreiten. Man dachte also damals, da die Erde sich auf einer Kreisbahn um die Sonne durch den Ätherwind bewegt, muss die Lichtgeschwindigkeit also richtungsabhängig sein. Man kann sich heute nur schwer vorstellen, dass die gesamte wissenschaftliche Elite an diese Theorie glaubte. Sie waren sogar so davon überzeugt, dass viele den Gegenbeweis gar nicht wahrhaben wollten, als er geliefert wurde. Dieser Gegenbeweis war das Michelson-Morley-Experiment und das wollen wir uns nun im nächsten Kapitel noch mal genauer ansehen. Im Bild seht ihr den schematischen Aufbau des Michelson-Morley-Experiments. Licht aus einer kohärenten Lichtquelle fällt auf einen halbdurchlässigen Spiegel. Die zueinander ungefähr 90° Winkel stehenden Teilstrahlen werden dann jeweils von einem Spiegel zurückgeworfen und fallen dann gemeinsam auf einen Detektor. Dort kann man ein Differenzmuster beobachten, und das Ganze ist drehbar auf einem Tisch gelagert.  Die Idee hinter der ganzen Geschichte war: Wäre die Lichtgeschwindigkeit c richtungsabhängig, dann müsste sich der Phasenunterschied (und damit auch das Interferenzmuster) bei einer Drehung des Versuchsaufbaus ändern. Dies war aber nicht der Fall. Trotz zahlreicher Versuche - das Experiment wurde sogar an verschiedenen Orten aufgebaut - blieb das Interferenzmuster immer unverändert. Michelson währte das Experiment als einen Fehlschlag, er dachte er habe einen Fehler gemacht irgendwo in der Theorie und er müsste das Experiment nur anders irgendwo durchführen, und er würde die Existenz des Äthers schon beweisen. Die Wahrheit war aber das Gegenteil: Mit diesem Experiment hatte er bewiesen, dass die Äthertheorie falsch war. Einstein dagegen entwickelte, angeregt durch dieses Versuchsergebnis, ein paar einfache Regeln, auf denen die gesamte Relativitätstheorie basiert. Diese Regeln nennt man die Grundprinzipien der Relativitätstheorie. Wie sie genau lauten, das wollen wir uns im nächsten Video ansehen.  Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir in diesem Video gelernt haben: Die Relativitätstheorie beschäftigt sich mit der Beschaffenheit von Raum und Zeit. Vor Einstein galten folgende physikalische Regeln als sicher: Raum und Zeit sind absolut und voneinander unabhängig. In der Mechanik galt zwar das galileische Relativitätsprinzip, wegen der Äthertheorie war es allerdings für Licht nicht anwendbar. Die Äthertheorie wurde schließlich durch das Michelson-Morley-Experiment widerlegt. Damit war die Bahn frei für die Entwicklung der Relativitätstheorie. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.

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