Die Poleis im klassischen Griechenland waren kulturell weit fortgeschritten. Eine solche ausdifferenzierte Gesellschaft benötigt ein feines Gespür für die Wendungen der Zeit. So wundert es nicht, dass sich bei den Griechen Philosophen und Astrologen eingehend mit dem Thema Zeit beschäftigten. Einer von diesen Denkern war Aristoteles. Ihm reichte es nicht, Wissen zu sammeln, das sich praktisch einsetzen ließ, sondern er wollte das Rätsel der Zeit tiefergehend untersuchen. Doch nicht nur für die Philosophie ist die Zeit von Interesse, sondern auch für die neuzeitliche Physik ist sie ein elementarer Bestandteil der Theorien. Spätestens seit dem 17. Jahrhundert hat sie ihren festen Platz in den physikalischen Formeln gefunden. In Newtons System wurde die Zeit absolut und objektiv gedacht. Doch mit dem 20. Jahrhundert erfolgte ein Paradigmenwechsel. Die Zeit in absoluter Form führte zu Widersprüchen in den Beobachtungen und Experimenten. 1905 stellte Einstein in seiner Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie ein Konzept vor, dass die Physik revolutionieren sollte: die Zeit wurde relativ. In dieser Untersuchung werden die Zeitauffassungen von Aristoteles und Einstein verglichen.

Textprobe: Kapitel 3.3, Die Allgemeine Relativitätstheorie: 3.3.1, Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie: Die Gültigkeit der Speziellen Relativitätstheorie ist auf die Berechnung von sich gleichmäßig bewegenden Bezugssystemen beschränkt. Eine Vielzahl der Bewegungen unterliegt aber einer Beschleunigung. Für diese Bewegungen gilt die Allgemeine Relativitätstheorie. Die Theorie fußt auf fünf physikalischen Prinzipien: - Das Machsche Prinzip, - Das Äquivalenzprinzip, - Das Prinzip der Kovarianz, - Das Prinzip der minimalen gravitativen Kopplung, - Das Korrespondenzprinzip. Ernst Mach widerspricht Newton bei seiner Konzeption des absoluten Raumes. Seine Überlegungen beginnen bei der Bewegung. Ein einzelnes Objekt, das alleine im Universum sei, kann sich nicht bewegen. Denn Bewegung bedeutet immer, sich relativ zu etwas anderem zu bewegen. Im realen Universum gibt es den Fixstern-Himmel. Durch die feste Lage der Sterne ist es möglich, ein lokales Inertialsystem zu bilden, ohne auf einen absoluten Raum zurückgreifen zu müssen. Das lässt sich an einem Beispiel verdeutlichen: Ein Beobachter steht am Nordpol. Im Zentrum des Poles wird ein Foucaultsches Pendel angebracht. Die Erde rotiert unter dem Pendel, das während eines Tages eine Richtungsänderung der Schwingungen von ungefähr 360° erfährt. Das ist exakt die Zeit, die die Erde benötigen würde, um sich im absoluten Raum einmal um sich selbst zu drehen. Nun blickt der Beobachter zum Sternenhimmel und nimmt wahr, dass der Fixsternhimmel ebenfalls um 360° in knapp 24 Stunden rotiert. Daraus lässt sich folgern, dass die Fixsterne sich nicht anders als der absolute Raum verhalten und ihn daher ersetzen können: Inertialsysteme sind solche, in denen der Fixsternhimmel nicht rotiert! Newtons Trägheit der Masse gegenüber dem Raum wird umgedeutet zu einer Trägheit von Massen gegenüber anderen Massen. Aus dem Machschen Prinzip lassen sich drei Aussagen für die Allgemeine Relativitätstheorie ableiten: - ‘M1. Die Materieverteilung bestimmt die Geometrie […]. - M2. Falls es keine Materie gibt, gibt es auch keine Geometrie […]. - M3. Ein Körper in einem sonst leeren Universum wird keine Trägheitseigenschaften besitzen’. Das Äquivalenzprinzip reicht bis zu Galileis bekannten Experiment am Schiefen Turm von Pisa zurück. Zu seiner Lebzeit galten noch die Ideen des Aristoteles, wonach Objekte einen natürlichen Platz im Kosmos haben und diesen anstreben: Schwere Dinge bewegen sich nach unten, leichte Dinge nach oben. Umso schwerer ein Objekt, desto schneller fällt es nach unten. Galilei brach diese alte Ansicht auf. Er ließ vom Schiefen Turm zwei verschieden Schwere Steine oder Kanonenkugeln fallen und konnte damit beweisen, dass beide zeitgleich am Boden ankommen. Der Grund, warum ein Stein schneller als eine Feder auf die Erde fällt, hängt mit dem Luftwiderstand zusammen. Im Vakuum würden beide Objekte gleich beschleunigt werden und zeitgleich am Boden aufkommen. Die sogenannte starke Form des Äquivalenzprinzips lässt sich folgendermaßen definieren: ‘P1. Die Bewegung eines gravitativen Testteilchens in einem Gravitationsfeld ist unabhängig von seiner Masse und Zusammensetzung’. Daneben können noch drei weitere Postulate unter dem Äquivalenzprinzip zusammengefasst werden. Von den anderen Grundkräften im Universum, der Starken und der Schwachen Kernkraft sowie der Elektromagnetischen Kraft unterscheidet sich die Gravitation maßgeblich denn sie lässt sich nicht abschirmen. Damit lässt sich sagen: ‘P2. Das Gravitationsfeld ist an alles gekoppelt’. Als den Startschuss zu seiner Gravitationstheorie sah Albert Einstein - in der Nachbetrachtung - den Tag im Jahr 1907, als er in seinem Büro des Schweizer Patentamtes saß und er plötzlich erkannte: Wenn eine Person sich im freien Fall befindet, dann spürt sie ihr eigenes Gewicht nicht mehr. Daraus lässt sich folgendes Postulat für das Äquivalenzprinzip ableiten: ‘P3. Es gibt keine lokalen Experimente, die den nicht rotierenden freien Fall in einem Gravitationsfeld von der gleichförmigen Bewegung im Raum bei Abwesenheit eines Gravitationsfeldes unterscheiden können.’ Einen weiteren verwandten Aspekt stellt Einstein anhand eines Beispieles dar: Inmitten des leeren Weltraums, weit weg von allen schweren Massen, befindet sich ein zimmerähnlicher Kasten, indem sich ein Beobachter aufhält. In der Mitte der Kastendecke ist von außen ein Seil befestigt. Dieses Seil wird von einem unbekannten Wesen mit konstanter Kraft gezogen und der Kasten damit gleichmäßig beschleunigt. Der Mann im Kasten wird die Beschleunigung wahrnehmen. Während er vor dem Ziehvorgang schwerelos war, wird er nun auf den Kastenboden gedrückt. Der Beobachter wird, ähnlich wie wir auf der Erde, sein Gewicht spüren und die Last mit den Füßen ausgleichen müssen, um stehen zu können. Wenn er einen Gegenstand in der Hand hält, wird dieser, wenn er losgelassen wird, genauso wie auf der Erde zu Boden fallen. Wenn der Beobachter mehrere Gegenstände fallen lässt, wird er feststellen, dass sie alle mit der gleichen Beschleunigung zu Boden fallen. Er könnte daher vermuten, dass er sich in einem Schwerefeld befindet. Mit Verwunderung könnte er dann wahrnehmen, dass der Kasten, indem er sich befindet, nicht selbst fällt. Wenn er dann den Haken mit dem Seil entdeckt, könnte er vermuten, dass seine Kabine dadurch befestigt ist und daher nicht nach unten fallen kann. Einstein zeigt damit die Probleme auf, Gravitation von einer gleichförmigen Beschleunigung zu unterscheiden: ‘P4. Ein zu einem Inertialsystem der Speziellen Relativitätstheorie linear beschleunigtes System ist lokal identisch zu einem System, das sich in einem Gravitationsfeld in Ruhe befindet‘. Das dritte für die Allgemeine Relativitätstheorie wichtige Prinzip ist das der allgemeinen Kovarianz. Da für Einstein alle Beobachter gleichberechtigt sind, bietet die Tensorrechnung das optimale mathematische Werkzeug zur Darstellung der Relativitätstheorie. So lautet das Postulat: ‘Die Gleichungen der Physik sollten tensorielle Form haben’. Das Prinzip der minimalen gravitativen Kopplung dient der Vereinfachung: ‘Es sollten beim Übergang von der speziellen zur allgemeinen Theorie keine Terme, die den Krümmungstensor explizit enthalten, hinzugefügt werden’. Das letzte Prinzip ist das Korrespondenzprinzip. Hier geht es darum, dass die Allgemeine Relativitätstheorie die Newtonsche Physik und die Spezielle Relativitätstheorie als Spezialfälle beinhaltet.

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