Das Universum in Rätseln. Cumrun Vafa. Читать онлайн. Newlib. NEWLIB.NET

Автор: Cumrun Vafa
Издательство: John Wiley & Sons Limited
Серия:
Жанр произведения: Физика
Год издания: 0
isbn: 9783527835959
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die newtonschen Gesetze; sie sind aus diesem Grund auch breiter anwendbar. Dies veranschaulicht die Tatsache, dass die Axiome der Physik ebensowenig unver- änderlich sind wie die ihnen zugrunde liegenden Modelle. Beide können sich im Laufe der Zeit ändern und tun es auch.

      Die maxwellschen Gleichungen im Vakuum führen zu Gleichungen der Form

      wobei F entweder das Magnetfeld B oder das elektrische Feld E bezeichnet. Die Lösungen dieser Gleichung sind elektromagnetische Wellen, die sich mit der Geschwindigkeit c, der Lichtgeschwindigkeit, ausbreiten.

      Das war aber noch nicht das Ende der Geschichte, denn schnell tauchten neue Fragen auf. Wenn man die Maxwell-Gleichungen verwendet, stellt man fest, dass sich die von ihnen beschriebenen Wellen tatsächlich mit der Geschwindigkeit c ausbreiten. Aber wie muss c gemessen werden? Ist es die Geschwindigkeit relativ zur Erde? Oder zur Sonne? Und auf welche Art von Beobachter bezieht sich die Gleichung – nur auf ruhende oder auch auf bewegte? Wenn wir uns mit konstanter Geschwindigkeit relativ zu einem Inertialsystem bewegen, gelten weiterhin die newtonschen Gesetze, aber ein Beobachter, der sich in dieser Weise bewegt, würde selbstverständlich eine andere Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen messen. Zunächst glaubte man, dass c nicht für alle Inertialsysteme gleich sein könne, weil dies ganz offensichtlich dem Additionsgesetz für Geschwindigkeiten aus der newtonschen Mechanik widerspräche. Anders ausgedrückt fehlte den maxwellschen Gleichungen die Symmetrie der newtonschen Mechanik (ausgedrückt durch die Galilei-Transformation), welche besagt, dass sich die gemessenen Geschwindigkeiten entsprechend der Relativgeschwindigkeit zweier Inertialsysteme ändern, wenn man das Inertialsystem wechselt. Maxwells Gedankenblitz schien damit zumindest auf den ersten Blick zu einem Widerspruch zu führen.

      Auftritt Einstein. Albert Einstein schlug vor, dass das von Lorentz und anderen entdeckte Phänomen nicht spezifisch für den Elektromagnetismus war, sondern ganz allgemein galt. Eine der Konsequenzen dieses radikalen Gedankens war eine kompakte Beziehung zwischen Masse und Energie, die zu einer der bekanntesten Gleichungen in der Geschichte der Wissenschaft wurde:

      Einsteins Theorie besagt, dass der Raum und insbesondere die Zeit, die stets als absolut und voneinander verschieden angesehen worden waren, in Wirklichkeit von der Geschwindigkeit des Beobachters abhängen. Darüber hinaus stellte er fest, dass die Lorentz-Transformation eine physikalische Transformation der Raumzeit ist und keinesfalls nur ein mathematischer Trick, der die Maxwell-Gleichungen konsistent macht. Dieser Gedanke stieß anfänglich auf einigen Widerstand unter Physikern, wurde aber inzwischen unwiderlegbar bestätigt. Einsteins spezielle Relativitätstheorie enthielt lineare Transformationen für den Wechsel von einem Inertialsystem zu einem anderen. Insofern war die spezielle Relativitätstheorie mathematisch recht einfach und vielleicht für den Geschmack mancher Physiker – zumindest was ihre mathematische Komplexität betraf – sogar ein wenig langweilig, da sie nur elementare lineare Algebra verwendete. Dies veranschaulicht die Tatsache, dass tiefe physikalische Ideen nicht notwendigerweise mit einem tiefen oder komplizierten mathematischen Formalismus einhergehen müssen; sie müssen nur auf einer selbstkonsistenten Mathematik beruhen.