Leslie Marder Reisen durch die Raum-Zeit

Transkript

1 Leslie Marder Reisen durch die Raum-Zeit

2 FacetteD der Physik Physik hat viele Facetten: historische. technische soziale. kulturelle. philosophische und amusante. Sie konnen wesentl.iche und bestimmende Motive fur die Beschaftigung mit den Naturwissenschaften sein. Viele Lchrbucher lassen diese "Facetten der Physik" nur erahnen. Daher sou unsere Buchreihe ihnen gewidmet sein. Prof. Dr. Roman Sexl Herausgeber Bisher erschienen: Weber/Mendoza, Kabinett physikalischer Rarititen Boltzmann, Populire Schriften Marder, Reisen durch die Raum-Zeit Gamov, Mr. Tompkins' seltsame Reisen durch Kosmos und Mikrokosmos

3 Leslie Marder Reisen durch die Raum-Zeit Das Zwillingsparadoxon - Geschichte einer Kontroverse Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Wiesbaden

4 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Marder, Leslie: Reisen durch die Raum-Zeit: d. Zwillingsparadoxon, Geschichte e. Kontroverse / L. Marder. [Obers.: Johanna Aichelburg). - Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg, Einheitssacht.: Time and the space-traveller (dt.) ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / Dieses Buch ist die deutsche Obersetzung von L. Marder Time and the Space-Traveller George Allen & Unwin Ltd., London, 1971 Obersetzung: Johanna Aichelburg, Wien 1. Auflage 1979 Nachdruck 1982 Aile Rechte an der deutschen Ausgabe vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1979 Die Vervielfaltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fiir Zwecke der Unterrich.tsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall mub iiber die Zahlung einer Gebiihr fiir die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werdel). Das gilt fiir die VervieifaItigung durch alle Verfahren einschlieblich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Blinder, Platten und andere Medien. Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig Umschlaggestaltung: P. Morys, Salzhemmendorf

5 v Vorwort Das urspriingliche Ziel dieses Buches war es, einen Uberblick iiber die Literatur zum Uhrenparadoxon in der Relativitatstheorie zu geben. Die Fillie des Materials, das iiber diese kontroversielle Frage existiert, ist in Biichern und Zeitschriften weit verstreut. Dies fiihrt dazu, dab jedes Mal, wenn die Kontroverse aufflammt, dieselben Argumente vorgebracht werden mit der Uberzeugung, dab sie neu sind. Da nun das Phanomen der Zeit dilatation alltaglich (zumindest in den Laboratorien) wurde, schien es wiinschenswert, das Material "unter einem Dach" zusammenzufassen, urn die Argumente zu ordnen und unter einem einheitlichen Gesichtspunkt zu untersuchen. Das Uhrenparadoxon beschaftigt schon lange sowohl den Laien als auch den Wissenschaftler, so dab es mein Ziel war, das Buch in sich abgeschlossen und die Mathematik so einfach als moglich zu halten. Mit dem tieferen Eindringen in die zentrale Frage der Relativitat der Zeitmessung wurde mir klar, dab es notwendig war, das Paradoxon in einem groberen Rahmen zu untersuchen, so lite es nicht nur als ein logisches Gesellschaftsspiel erscheinen. Oft wird yom Leser verlangt, sich "ein Raumschiff, das von der Erde mit 50 % (oder 90 % oder 99 %) der Lichtgeschwindigkeit startet", vorzustellen. Ein Technologe oder ein Physiker konnte entgegnen, dies sei unrealistisch. Daher habe ich versucht, die Frage nach den Grenzen der Raumfahrt zu behandeln; die Auswirkungen der Zeitdilatation bei Raumfahrten iiber grobe Distanzen; die Eigenart von lebenden Uhren; die Bedeutung neuerer Experimente iiber die Zeitdilatation; die Giiltigkeit der speziellen Relativitatstheorie; usw. Obwohl die Darstellung elementar ist, konnte dieses Buch fiir den ernsthaften Studenten der Relativitatstheorie (wie auch den naturwissenschaftlich interessierten Leser) niitzlich sein. Fiir Spezialisten kann es als eine ziemlich umfassende Literaturquelle dienen. Ein mit Anmerkungen versehenes Literaturverzeichnis befindet sich am SchluB des Buches. Der eher breite historische Uberblick iiber die Grundlagen der speziellen Relativitatstheorie ist teilweise fiir den Nicht-Spezialisten gedacht und teilweise, urn die Begriffe und die Terminologie fiir die nachfolgenden Kapitel zu prazisieren. Ich danke den vielen Autoren, die an einer so interessanten und manchmal auch heiteren Debatte teilgenommen haben. Mein besonderer Dank gilt den Herren Dr. Sebastian von Horner yom National Radio Astronomy Observatory, Greenbank, West Virginia, Dr. G. J. Withrow yom Imperial College of Science and Technology, London, der American Association for the Advancement of Science, und Thomas

6 VI Vorwort Nelson Ltd. fur die Erlaubnis, bestimmtes Material in die Kapitel 3 und 4 aufzunehmen. (Die vollstandige Danksagung befindet sich an den relevanten Stellen im Text.) Von Anfang dieser Studie an war mir klar, welche Seite in der Kontroverse recht hat. Nichtsdestoweniger war mir die Anzahl der verschiedenen, teils scharfsinnigen und interessanten Argumente, die im Laufe der Arbeit zu Tage traten, eine willkommene Dberraschung. L. M.

7 VII Vorwort zur deutschen Ausgabe Seit dem Erscheinen der englischen Ausgabe konnte durch die Verbesserungen im Bau von Atomuhren das Uhrenparadoxon direkt iiberpriift werden. 1m Oktober 1971 unternahmen die Physiker J. C. Hafele und R. Keating, 1) ausgestattet mit Atomuhren, in einer normalen Verkehrsmaschine einen Flug urn die Erde. Sie hatten errechnet, dab die Genauigkeit von Atomuhren ausreicht, urn den relativistischen Zeiteffekt zu messen, indem man den Gang einer Uhr, die im Flugzeug die Erde umkreist, mit dem einer Uhr auf der Erde vergleicht. Allerdings setzt sich der zu erwartende Effekt aus zwei Komponenten zusammen: aus dem eigentlichen Geschwindigkeitseffekt und dem Gravitationseffekt (wie in Kap. 6 genau beschrieben). Der relativistische Gravitationseffekt besagt, dab Uhren in der Nachbarschaft grober Massen wie z. B. der Erde langsamer gehen als im Weltraum. Bei einer Flugh6he von etwa 10 km und einer Reisegeschwindigkeit von 800 km/h iiber eine Flugdauer von ca. 50 Stunden sind beide Effekte von der gleichen Gr6Benordnung, namlich etwa 200 Nanosekunden (10-9 s). Das Vorzeichen des Geschwindigkeitseffekts hangt davon ab, ob der Flug in westlicher oder ostlicher Richtung urn die Erde erfolgt. Eine Uhr auf der Erdoberflache bewegt sich mit der Erdrotation mit und befindet sich daher nicht im strengen Sinn in einem Inertialsystem. Fiir einen im Weltraum ruhenden Beobachter bewegt sich eine in westlicher Richtung (gegen die Erdrotation) fliegende Uhr langsamer als die auf der Erde. Daher wird die Erduhr aufgrund des Geschwindigkeitseffektes gegeniiber der Flugzeuguhr nachgehen. Bei einem Flug gegen Osten addiert sich die Fluggeschwindigkeit. zu der der Erdrotation und der Effekt verlauft umgekehrt. Da nun der Gravitationseffekt stets zu einem Vorgehen der Flugzeuguhr gegeniiber der auf der Erde fiihrt, addieren sich Gravitations- und Geschwindigkeitseffekte bei einem Ostflug. Bei der Auswertung dieses Experiments miissen Flughohe und Fluggeschwindigkeit genau beriicksichtigt werden. Trotz einfacher experimenteller Methoden konnten Hafele und Keating die Vorhersage der Relativitatstheorie bis auf etwa 8 % genau bestatigen. In der Zwischen zeit hat eine Forschungsgruppe der Universitat Maryland 2 ) (von September 1975 bis Januar 1976) dieses Experiment verfeinert: Mit Flugzeugen wurden Atomuhren auf etwa 10 km Hohe gebracht und ihr Gang mit dem Gang 1) J. C. Hafele und R. Keating, Science 177 (1972) 166 2) C. Alley et ai, University Maryland preprint.

8 VIII Vorwort zur deutschen Ausgabe von Atomuhren am Boden verglichen. Die Flugroute wurde dabei von der Bodenstation mittels Radar standig iiberwacht und Position und Geschwindigkeit bestimmt. Insbesondere wurde darauf geachtet, da~ die Uhren vor Erschiitterungen, Magnetfeldem und Temperaturschwankungen moglichst geschiitzt sind. Der Zeitvergleich der Uhren konnte auch wahrend des Fluges mittels Laser-Impulsen durchgefiihrt werden. Die Auswertung der Daten ergab eine Bestatigung der Theorie innerhalb einer Fehlergrenze von 1,6 %. Mit den Ergebnissen dieser Experimente werden die Gegner der Relativitatstheorie, die den relativistischen Zeiteffekt negieren, weiter in die Defensive gedrangt. Das Buch ist nicht nur fur den naturwissenschaftlich orientierten Leser sondem auch fiir den Wissenschaftstheoretiker wertvoll, zeigt es doch am Beispiel des Uhrenparadoxons eine wissenschaftliche Kontroverse, welche W. Biichel 3 ) in einer auf "Einstein zuriickgehenden Inkongruenz zwischen Physik und Philosophie der Relativitiitstheorie" sieht. P. C. Aichelburg 3) W. Buche!, Zs. f. allgemeine Wissenschaftstheorie Bd. V, 2, 218 (1974) Siehe auch: T. S. Kuhn, Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen, Frankfurt 1967.

9 IX Inhal tsverzeichnis 1 Einleitung Grundlegendes zur Relativitatstheorie Bringt uns den Ather nicht zuruck! Michelson-Morley und wie es dazu kam Die unveranderliche Lichtgeschwindigkeit Das Messen von Lange und Zeit Gleichzeitigkeit und die Synchronisation von Uhren Die Lorentztransformation Bewegte Lineale und Uhren Minkowskis vierdimensionale Raum-Zeit Das Zwillingsparadoxon Das verlorene Paradoxon Wir aile sind Uhren Beschleunigte Uhren Ober den Besuch entfernter Leute Die Zweifler Das Problem der Beschleunigung Ober die Gleichzeitigkeit Der Doppler-Effekt und der k-kalkiil Wann ist eine Uhr keine Uhr? Das Prinzip der Unmoglichkeit Die spezielle Relativitatstheorie: richtig oder falsch? Experimentelle Beweise Vor Mesonen und die fiinfziger Jahre Der Mossbauer-Effekt und die sechziger Jahre 5.4 Die Verwendung von kiinstlichen Erdsatelliten

10 x Inhaltsverzeichnis 6 Das Uhrenparadoxon in der allgemeinen Relativitatstheorie Das Aquivalenzprinzip Der Karussell-Zugang zur allgemeinen Relativitatstheorie. 6.3 Und nocheinmal: das Paradox on.... Anhang... Bibliographie a) Das Uhrenparadoxon. Ausgewahlte Zitate. b) Andere Zitate.... Namen- und Sachwortverzeichnis