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Physik vor Einstein 07:04 min

Textversion des Videos

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.

Physik vor Einstein Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Physik vor Einstein kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die grundlegenden Annahmen der Physik vor Einstein an.

    Tipps

    Die Annahmen der Physik vor Einstein wurden durch das Michelson-Morley-Experiment widerlegt.

    Raum und Zeit sind vor Einstein physikalisch nicht beeinflussbar.

    Die Äthertheorie war gültig.

    Lösung

    Albert Einstein gelang mit seiner speziellen Relativitätstheorie ein Paradigmenwechsel in der Physik.

    Vor Einstein glaubte man in der Wissenschaft, dass Raum und Zeit absolut sind, also dass diese nicht physikalisch beeinflussbar und unendlich wären. Ebenso war man sicher, das Raum und Zeit zwei voneinander klar unterscheidbare, nicht zu kombinierende physikalische Elemente waren.

    Als dritte wichtige Annahme vermutete man, Licht bräuchte ebenso wie Schall ein Medium, durch welches es sich ausbreiten kann. Diese Funktion sprach man dem Äther zu, einer nicht nachweisbaren Substanz, die das Licht durch das Universum wehen sollte.

    Der Gegenbeweis wurde durch das Michelson-Morley-Experiment erbracht. Auf deren Beobachtungen baute Einstein seine Postulate für die spezielle Relativitätstheorie auf.

  • Gib an, was Einstein´s spezielle Relativitätstheorie beinhaltet.

    Tipps

    Einstein charakterisiert die Effekte der Relativität in seinen Ausführungen.

    Einstein geht davon aus, dass sich das Licht in alle Richtungen gleich schnell ausbreitet.

    Einstein legt die Lichtgeschwindigkeit als obere Grenze jeder Geschwindigkeit fest.

    Lösung

    In seiner 1905 aufgestellten speziellen Relativitätstheorie widmet sich Einstein vor allem den Phänomenen, die bei zwei sich relativ zueinander bewegenden Beobachtern auftreten.

    Dabei nahm Einstein grundsätzlich an, dass es keinen Äther gibt, der das Licht transportiert und sich Licht deshalb gleichmäßig und in alle Richtungen mit der maximal möglichen Geschwindigkeit $ c = 299.792 \frac{km}{s} $ bewegt.

    Die Beobachtung rein mechanischer Phänomene in verschiedenen Inertialsystemen ist im Relativitätsprinzip von Galileo beschrieben und von daher auch nicht das Zentrum der Ausführungen Einstein's.

  • Beschreibe die Äthertheorie.

    Tipps

    Michelson und Morley widerlegten die Äthertheorie.

    Man vermutete, dass sich Licht und Schall sehr ähnlich ausbreiten müssten.

    Lösung

    Die Äthertheorie war in der Wissenschaft vor Albert Einstein die gängige Erklärung für die Ausbreitung des Lichtes.

    Vorherrschende Meinung war, dass Licht brauche ein Medium, um sich auszubreiten. Genauso, wie dies bei einer Schallwelle der Fall ist.

    Man postulierte also, dass das Licht sich auf dem so genannten Äther ausbreiten würde.

    Dieser sollte das Universum in Form von Ätherwinden durchkreuzen und so das Sonnenlicht von der Sonne, zur Erde bringen.

    Dabei musste die Lichtgeschwindigkeit richtungsabhängig sein, je nachdem, ob sich das Licht mit oder entgegen des Ätherwindes ausbreitete. Man vermutete also, dass eine Glühlampe einen Raum, je nachdem, in welche Richtung der Ätherwind wehte, unterschiedlich schnell ausgehen würde.

    Diese Überlegungen nahmen Michelson und Morley zum Ansatzpunkt für ihr Experiment, in dem sie die Existenz des Äthers nachweisen wollten. Ihre Ergebnisse zeigten jedoch, dass Licht sich in jede Richtung stets gleich schnell ausbreitet, sodass der Äther nicht existieren konnte und die Theorie widerlegt war.

    Später nahm sich Einstein diesen Beweis zum Anlass und postulierte seine Grundannahmen für die spezielle Relativitätstheorie

  • Analysiere, warum sich das Interferenzmuster im Michelson-Morley-Experiment nicht ändert.

    Tipps

    Ein Interferenzmuster bildet die Überlagerung der Amplituden zweier Wellen ab.

    Ein Wind bewegt sich gerichtet.

    Licht ist eine Welle.

    Lösung

    Betrachtet man zwei kohärente Wellen, die sich überlagern, so ergänzen sich deren Wellentäler und Wellenberge zu einem Interferenzmuster. Dabei addieren sich zwei Amplituden und bilden eine größere Amplitude. Dieser Effekt tritt auch bei Schallwellen auf, sodass durch zwei Lautsprecherboxen in einem Raum (beide emittieren kohärente Schallwellen) Stellen entstehen, an denen es durch Überlagerung der Wellen lauter oder leiser ist. Verschieben wir einen der Lautsprecher, so ändert sich das Interferenzfeld und somit die Orte im Raum, an denen sich der Schall bündelt.

    Dieser Effekt ist auch für das Licht gültig. Da sich dieses ebenfalls als Welle ausbreitet, gibt es auch hier Orte, an denen sich die Amplituden der Wellen überlagern. Sie beschreiben dann ein charakteristisches Interferenzmuster, welches solange gleich bleibt, wie die Quellen des Lichtes ebenfalls am selben Ort platziert sind.

    Da dem Äther eine gerichtete Bewegung zugeschrieben wurde (wie jedem anderen Wind auch), müsste dieser die Verteilung der Amplituden einer Welle beeinflussen. Somit müsste das Interferenzmuster ebenfalls geändert werden.

    Im Michelson-Morley-Experiment wurde jedoch bewiesen, dass das Interferenzmuster zweier kohärenter Lichtstrahlen stets dasselbe ist, egal aus welcher Richtung die sich überschneidenden Lichtstrahlen stammten. Damit war die Existenz des Äthers widerlegt.

  • Bezeichne das Michelson-Morley-Experiment.

    Tipps

    Das Interferenzmuster ist die Grundlage der Interpretation des Versuches.

    Ein Detektor wird eingesetzt, um physikalische Phänomene sichtbar zu machen.

    Ein Halbspiegel ist ein Spiegel, der Licht sowohl bricht, als auch zu gewissen Anteilen durchlässt.

    Lösung

    Im Michelson-Morley-Experiment betrachtet man das Interferenzmuster, welches durch die Überlappung zweier kohärenter Lichtstrahlen entsteht.

    Dabei wird ein Lichtstrahl aus einer kohärenten Quelle emittiert. Dieser wird an einem halbdurchlässigen Spiegel zu einem Teil reflektiert und auf Spiegel 1 gelenkt. Ein anderer Teil wird durchgelassen und trifft auf Spiegel 2.

    Von Spiegel 1 und 2 werden die Lichtstrahlen reflektiert und auf einen Detektor gelenkt. Dieser bildet das Interferenzmuster ab, welches die Grundlage der Interpretation bildet.

  • Erkläre die Beobachtungen von Michelson und Morley.

    Tipps

    Das Experiment bewies: Es gibt keinen Äther, auf dem sich das Licht ausbreitet.

    Ein Interferenzmuster bildet sich aufgrund der Überlagerung von Wellen.

    Lösung

    Michelson und Morley betrachteten das Verhalten der Interferenzmuster zweier Lichtstrahlen aus einer kohärenten Quelle.

    Dabei wurde ein Lichtstrahl auf einen halbdurchlässigen Spiegel gelenkt und so in zwei einzelne separiert. Da die Strahlen in verschiedene Richtungen liefen, hätten diese aufgrund der Richtung des Ätherwindes unterschiedlich beeinflusst werden müssen. Diese Änderung hätte man im Interferenzmuster detektieren können.

    Da sich dieses Muster jedoch unabhängig von der Richtung der beiden Strahlen einstellte, konnte es kein Medium geben, welches die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Lichtes beeinflusste. Somit war die Äthertheorie widerlegt.

    Michelson ging zunächst davon aus, dass ein Fehler aufgetreten war. Doch Einstein verstand, dass die Eigenschaften der Ausbreitung des Lichtes anders waren, als man lange Zeit angenommen hatte.