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Viele kennt sie - doch die wenigsten wissen etwas damit anzufangen: die Relativitätstheorie von Albert Einstein. Und viele Schüler und Schülerinnen lernen: E=mc2, doch verstehen können das nur die Genies.
Einsteins
Theorie von Raum und Zeit ist die herausragende Denkleistung des letzten
Jahrhunderts. Wie ist es zum Beispiel mit Einsteins Behauptung, dass Uhren
langsamer laufen, wenn sie sich bewegen? Wer auf Reisen geht, wird tatsächlich
jünger. Gekrümmte Räume und Schwarze Löcher - von Einstein
vorhergesagt. Aber gibt es die wirklich?
Was das heisst, wird an folgendem Beispiel klar:
Man wirft aus dem Stand einen Apfel mit 30 Kilometern pro Stunde nach vorne. Der Apfel fliegt dann mit 30 Stundenkilometern. Jetzt setzt sich man ins Auto und fährt mit einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern.
Wieder wirft man einen Apfel nach vorne. Der Apfel flitzt dann mit 50+30=80 Stundenkilometern über die Strasse. Soweit so gut.
Leuchtet man aus dem Stand mit einer Taschenlampe nach vorne, bewegt sich das Licht mit 300'000 Kilometern pro Sekunde.
Nun führt man dieses Experiment wie oben im Auto aus, fährt also mit einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern und leuchtet mit der Taschenlampe nach vorne.
Das Licht rast jedoch nicht mit Lichtgeschwindigkeit +50 Stundenkilometern dahin, sondern nach wie vor mit 300 000 Kilometern pro Sekunde.
Es ist ausserdem gleichgültig, ob die Lichtgeschwindigkeit vom Auto aus gemessen wird oder vom Strassenrand, der Wert bleibt immer gleich.
Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit wurde zuerst im Jahre 1887 im so genannten Michelson-Morley-Experiment nachgewiesen. Es war jedoch lange unklar, wie diese Tatsache zu deuten sei und welche Konsequenzen sich daraus ergaben.
Erst Albert Einstein zeigte mit seiner "Speziellen Relativitätstheorie" einen Ausweg aus dem Dilemma. Und er machte deutlich, welche Auswirkungen diese Unveränderlichkeit hat: Sowohl die Zeit als auch der Raum verlieren ihre absolute Bedeutung. Die Zeit verläuft mit zunehmender Geschwindigkeit immer langsamer und ein Gegenstand, der sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegt erscheint, einem ruhenden Beobachter verkürzt.
Kernfusion
Ein
Anwendungsbeispiel für " E=mc2 " ist die so genannte Kernfusion. Sowohl die Sonne als auch die Wasserstoffbombe
erzeugen ihre ungeheure Energie, indem sie Masse verbrennen. Die beiden
Wasserstoffatome, die fusioniert werden, wiegen dabei etwas mehr, als das
Endprodukt Helium. Die Massendifferenz entspricht nach Einsteins Formel
genau der frei gewordenen Energie.
Das Michelson-Morley-Experiment:
Bereits seit Beginn des 19. Jahrhunderts wusste man, das Licht aus Wellen besteht. Alle anderen bekannten Wellen waren stets an ein Medium gebunden. Schall breitet sich in z.B. Luft aus, Wasserwellen im Wasser. Daher nahm man an, dass auch das Licht an irgendeine Form von Medium gebunden war, das offensichtlich unsichtbar war. Dieses Medium wurde Lichtäther genannt. Es wurde angenommen, dass sich der äther selbst in absoluter Ruhe befindet und sich jeder Körper, also auch die Erde, mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ dazu bewegt.
Die beiden Physiker Albert Abraham Michelson und Edward Williams Morley wollten 1887 die Geschwindigkeit der Erde in diesem äther mit Hilfe von Lichtstrahlen bestimmen. Dafür bauten sie ein äusserst genaues Messinstrument, ein so genanntes Interferometer.
Die Idee dahinter:
Die Geschwindigkeit des Lichtes wird in zwei verschiedene Richtungen gemessen, einmal in Bewegungsrichtung und einmal senkrecht dazu. Das Licht, das sich in dieselbe Richtung bewegt wie die Erde sollte schneller sein als das Licht senkrecht dazu. Doch so sorgfältig die beiden Forscher ihre Messungen auch ausführten, sie konnten keinen Unterschied in der Geschwindigkeit festellen. Die Lichtgeschwindigkeit blieb konstant.
Die einzige mögliche Erklärung die auf der Hand lag war, dass sich die Erde in Bezug auf den Äther nicht bewegt, aber das wäre ein zu grosser Zufall gewesen. Eine schlüssige Deutung wurde erst zwei Jahrzente später von Albert Einstein gefunden, die Spezielle Relativitätstheorie. Das Michelson-Morley-Experiment ist wahrscheinlich das bedeutenste missglückte Experiment in der Geschichte der Wissenschaft.
Im einem ringförmigen Teilchenbeschleuniger LHC des CERN in der Nähe von Genf werden Positronen verwendet. Der Ring des Beschleunigers wurde im Boden gebaut und verläuftüber die Schweizer Landesgrenze hinaus nach Frankreich und wieder zurück in die Schweiz. Insgesamt halten über 3'000 Magneten die Teilchen auf ihrer Bahn. Sie zwingen negativ geladene Elektronen in die eine, und positiv geladene Positronen in andere Richtung.
Die Teilchen bewegen sich extrem schnell: ein Fussmarsch durch den Ring würde etwa sieben Stunden dauern; die Elektronen- und Positronenstrahlen lege diese Strecke mehr als 11'000 mal pro Sekunde zurück. Beinahe so schnell wie das Licht. Die enorme Energie der Bewegung verwandelt sich beim Zusammenstoss im Detektor dann auf einen Schlag in neue Materie.
Forscher aus aller Welt arbeiten am Experiment DELPHI. Dabei wurde unter anderen Ergebnissen ein neuer, ganz besonderer Zusammenstoss registriert: Aus den Winzlingen, Elektron und Positron, entstanden 100'000 mal schwerere Teilchen: ein Zwillingspaar aus Z-Bosonen. Sie haben jedoch nur ein sehr kurzes Leben (ihre mittlere Lebensdauer ist nur 10-25 s) und zerfallen sofort wieder in schon bekannte Teilchen: Quarks und Antiquarks.
Die Physiker werden am CERN noch lange nach neuen Teilchen weitersuchen. Es sollen Protonen zur Kollision gebracht werden. So werden Zusammenstösse bei noch höherer Energie möglich und, so hoffen die Forscher, dadurch ganz neue Teilchen erzeugt.