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Von Dr. Herbert Hunziker
Nachdem der sechzehnjährige Albert Einstein im Herbst 1895, trotz ausgezeichneten Kenntnissen in Mathematik und Physik, bei der Aufnahmeprüfung des Eidgenössischen Polytechnikums Zürich gescheitert war, kam er auf Rat des ETH-Rektors Albin Herzog nach Aarau. Hier trat er in die Aargauische Kantonsschule ein und schloss seine Mittelschulausbildung nur ein Jahr später mit dem besten Zeugnis seiner Klasse ab. Damit war der Weg frei für ein Studium am Polytechnikum.
Einsteins Relativitätstheorie
Die Basis von Einsteins berühmtester Arbeit (publiziert im Jahr 1905) bildet eine kritische Analyse der Begriffe Raum und Zeit. Einfache Begriffe und Fragen stehen am Anfang: Was ist ein Ereignis? Ein Blitzeinschlag beispielsweise ist ein Ereignis; es findet an einer bestimmten Raumstelle in einem bestimmten Augenblick statt. Wenn wir zwei Blitzeinschläge A und B betrachten, können wir fragen: Finden sie gleichzeitig statt? Sofern die beiden Ereignisse am selben Ort stattfinden, wird ein sich in unmittelbarer Nähe befindlicher Beobachter die beiden Blitze gleichzeitig sehen und folgern, dass die Einschläge gleichzeitig stattfinden. Falls die Blitze aber nicht an derselben Stelle einschlagen, was soll dann Gleichzeitigkeit bedeuten?
Aarau als Ausgangspunkt einer neuen Zeit
In seiner Autobiographischen Skizze von 1955 erinnert sich Albert Einstein an die schöne Zeit in Aarau. Seine Schwester Maja meinte gar, es sei eine von Alberts glücklichsten Zeiten gewesen. Bereits in Aarau befasste sich Einstein mit dem Wesen von Licht und Zeit, und in seinem Kopf entwickelte sich das Bild des Rittes auf einem Lichtstrahl, ein Bild, das ihn auf dem jahrelangen, beschwerlichen Weg zur Relativitätstheorie leitete und das unter der Bezeichnung Aarauer Frage Eingang in die Wissenschaftsgeschichte gefunden hat: «Während dieses Jahres in Aarau kam mir die Frage: Wenn man einer Lichtwelle mit Lichtgeschwindigkeit c nachläuft, so würde man ein zeitunabhängiges Wellenfeld vor sich haben. So etwas scheint es aber doch nicht zu geben! Dies war das erste kindliche Gedanken-Experiment, das mit der Relativitätstheorie zu tun hat.»
Etwas allgemeiner fragte er sich: «Wenn man einer Lichtwelle mit Geschwindigkeit v nachrennt, so sähe man eine Lichtwelle, die sich mit Geschwindigkeit c-v fortbewegt. So etwas scheint es aber doch auch nicht zu geben!» Erst zehn Jahre später, als Einstein in Bern als Patentbeamter arbeitete, kam er zur Überzeugung, dass sich die Geschwindigkeit zwischen Verfolger und Lichtstrahl nicht vermindern würde, und er formulierte sein berühmtes Lichtpostulat, das zur logischen Basis der speziellen Relativitätstheorie gehört: «Lichtstrahlen bewegen sich für jeden Beobachter mit derselben Geschwindigkeit c = 300’000 km/s.»
Zwei Blitze auf einem Bahndamm
An den Stellen A und B eines Bahndammes schlagen zwei Blitze ein: Was heisst nun, die beiden Ereignisse sind gleichzeitig? Nach einigem Nachdenken findet man die wegen des Lichtpostulates naheliegende Antwort. Einstein definierte: «Wenn ein Beobachter im Mittelpunkt M der Strecke AB die beiden Blitzschläge α und β gleichzeitig sieht, finden diese gleichzeitig statt.»
[ Bild: zVg]
Ich verstehe, liebe Leserin, lieber Leser, wenn du das bisher Gelesene nicht besonders aufregend findest; es geht ja nur um Definitionen. Wenn du dich aber darauf einlässt, alles konsequent zu Ende denkst, wie Einstein es im Sommer 1905 in Bern getan hat, so wirst du Überraschendes finden:
– Sofern die beiden Blitzeinschläge für den Beobachter in M gleichzeitig stattfinden, werden sie für einen relativ zu M bewegten Beobachter nicht gleichzeitig sein. Man nennt dieses Phänomen Relativität der Gleichzeitigkeit.
– Falls sich eine Uhr mit grosser Geschwindigkeit über den Bahndamm bewegt, so wird diese verglichen mit einer bezüglich des Bahndamms ruhenden Uhr langsamer ticken. Dieses Phänomen nennt man Zeitdilatation.
Vielleicht wendest du nun ein, das sei alles verwirrende und unnütze Theorie, ohne Bedeutung für das Leben. Tatsächlich aber gibt es Anwendungen von Einsteins Relativitätstheorien, die heute in deinem Alltag hilfreich sind. So funktioniert etwa die GPS-Navigation nur dann präzise, wenn man die Zeitdilatation berücksichtigt.
*Dr. Herbert Hunziker unterrichtete an der Alten Kanti von 1991 bis 2016 Mathematik.