Mit 3 Figuren

[Illustration]

+Braunschweig+

+Druck und Verlag von Friedr. Vieweg & Sohn+

+1917+

Herausgeber dieses Heftes ist

Geh. Reg.-Rat Prof. Dr. +Karl Scheel+

+Alle Rechte vorbehalten+

Vorwort.

Das vorliegende Büchlein soll solchen eine möglichst exakte Einsicht

in die Relativitätstheorie vermitteln, die sich vom allgemein

wissenschaftlichen, philosophischen Standpunkt für die Theorie

interessieren, ohne den mathematischen Apparat[1] der theoretischen

Physik zu beherrschen. Die Lektüre setzt etwa Maturitätsbildung und —

trotz der Kürze des Büchleins — ziemlich viel Geduld und Willenskraft

beim Leser voraus. Der Verfasser hat sich die größte Mühe gegeben,

die Hauptgedanken möglichst deutlich und einfach vorzubringen, im

ganzen in solcher Reihenfolge und in solchem Zusammenhange, wie sie

tatsächlich entstanden sind. Im Interesse der Deutlichkeit erschien

es mir unvermeidlich, mich oft zu wiederholen, ohne auf die Eleganz

der Darstellung die geringste Rücksicht zu nehmen; ich hielt mich

gewissenhaft an die Vorschrift des genialen Theoretikers +L.

Boltzmann+, man solle die Eleganz Sache der Schneider und Schuster sein

lassen. Schwierigkeiten, die in der Sache begründet liegen, glaube ich

dem Leser nicht vorenthalten zu haben. Dagegen habe ich die empirischen

physikalischen Unterlagen der Theorie absichtlich stiefmütterlich

behandelt, damit es dem der Physik ferner stehenden Leser nicht ergehe

wie dem Wanderer, der vor lauter Bäumen keinen Wald sieht. Möge das

Büchlein manchem einige frohe Stunden der Anregung bringen!

Dezember 1916.

+A. Einstein.+

[1] Die mathematischen Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie

findet man in den bei B. G. Teubner in der Monographiensammlung

„Fortschritte der mathematischen Wissenschaften“ unter dem Titel

„Das Relativitätsprinzip“ erschienenen Originalabhandlungen von

+H. A. Lorentz+, +A. Einstein+, +H. Minkowski+, sowie in +M.

Laue+s ausführlichem Buche „Das Relativitätsprinzip“ (Verlag

von Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig). Die allgemeine

Relativitätstheorie nebst den zugehörigen mathematischen

Hilfsmitteln der Invariantentheorie ist in der Broschüre des

Verfassers, „Die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie“

(Joh. Ambr. Barth, 1916) behandelt; diese Broschüre setzt einige

Vertrautheit mit der speziellen Relativitätstheorie voraus.

Erster Teil.

Über die spezielle Relativitätstheorie.

§ 1. Physikalischer Inhalt geometrischer Sätze.

Gewiß hast auch du, lieber Leser, als Knabe oder Mädchen mit dem

stolzen Gebäude der Geometrie Euklids Bekanntschaft gemacht und

erinnerst dich vielleicht mit mehr Achtung als Liebe an den stolzen

Bau, auf dessen hohen Treppen du von gewissenhaften Fachlehrern in

ungezählten Stunden umhergejagt wurdest. Gewiß würdest du kraft dieser

deiner Vergangenheit jeden mit Verachtung strafen, der auch nur das

abgelegenste Sätzchen dieser Wissenschaft für unwahr erklärte. Aber

dies Gefühl stolzer Sicherheit verließe dich vielleicht sogleich, wenn

dich einer fragte: „Was meinst du denn mit der Behauptung, daß diese

Sätze wahr seien?“ Bei dieser Frage wollen wir ein wenig verweilen.

Die Geometrie geht aus von gewissen Grundbegriffen, wie Ebene, Punkt,

Gerade, mit denen wir mehr oder minder deutliche Vorstellungen zu

verbinden imstande sind, und von gewissen einfachen Sätzen (Axiomen),

die wir auf Grund jener Vorstellungen als „wahr“ hinzunehmen geneigt

sind. Alle übrigen Sätze werden dann auf Grund einer logischen Methode,

deren Berechtigung wir uns anzuerkennen genötigt fühlen, auf jene

Axiome zurückgeführt, d. h. bewiesen. Ein Satz ist dann richtig bzw.

„wahr“, wenn er in der anerkannten Weise aus den Axiomen hergeleitet

ist. Die Frage nach der „Wahrheit“ der einzelnen geometrischen Sätze

führt also zurück auf die Frage nach der „Wahrheit“ der Axiome.

Längst aber ist es bekannt, daß die letztere Frage nicht nur durch die

Methoden der Geometrie nicht beantwortbar, sondern überhaupt an sich

ohne Sinn ist. Man kann nicht fragen, ob es wahr sei, daß durch zwei

Punkte nur +eine+ Gerade hindurchgeht. Man kann nur sagen, daß die

Euklidische Geometrie von Gebilden handelt, die sie „Gerade“ nennt, und

denen sie die Eigenschaft beilegt, durch zwei ihrer Punkte eindeutig

bestimmt zu sein. Der Begriff „wahr“ paßt nicht auf die Aussagen der

reinen Geometrie, weil wir mit dem Worte „wahr“ in letzter Linie stets

die Übereinstimmung mit einem „realen“ Gegenstande zu bezeichnen

pflegen; die Geometrie aber befaßt sich nicht mit der Beziehung ihrer

Begriffe zu den Gegenständen der Erfahrung, sondern nur mit dem

logischen Zusammenhang dieser Begriffe untereinander.

Daß wir uns trotzdem dazu hingezogen fühlen, die Sätze der Geometrie

als „wahr“ zu bezeichnen, erklärt sich leicht. Den geometrischen

Begriffen entsprechen mehr oder weniger exakt Gegenstände in der

Natur, welch letztere ohne Zweifel die alleinige Ursache für die

Entstehung jener Begriffe sind. Mag die Geometrie, um ihrem Gebäude

die größtmögliche logische Geschlossenheit zu geben, hiervon Abstand

nehmen; die Gewohnheit, beispielsweise in einer Strecke zwei markierte

Stellen auf +einem+ praktisch starren Körper zu sehen, steckt tief

in unseren Denkgewohnheiten. Wir sind ferner gewohnt, drei Orte als

auf einer Geraden befindlich anzunehmen, wenn wir ihre scheinbaren

Sehorte durch passende Wahl des Beobachtungsortes bei einäugigem Sehen

zusammenfallen lassen können.

Wenn wir nun, der Denkgewohnheit folgend, den Sätzen der Euklidischen

Geometrie den einzigen Satz zufügen, daß zwei Punkten eines praktisch

starren Körpers stets die nämliche Entfernung (Strecke) entspreche, was

für Lagenänderungen wir auch mit dem Körper vornehmen mögen, so werden

aus den Sätzen der euklidischen Geometrie Sätze über die mögliche

relative Lagerung praktisch starrer Körper[2]. Die so ergänzte

Geometrie ist dann als ein Zweig der Physik zu behandeln. Jetzt kann

mit Recht nach der „Wahrheit“ so interpretierter geometrischer Sätze

gefragt werden, denn es kann gefragt werden, ob jene Sätze zutreffen

für diejenigen realen Dinge, welche wir den geometrischen Begriffen

zugeordnet haben. Etwas ungenau können wir also sagen, daß wir unter

der „Wahrheit“ eines geometrischen Satzes in diesem Sinne sein

Zutreffen bei einer Konstruktion mit Zirkel und Lineal verstehen.

Die Überzeugung von der „Wahrheit“ der geometrischen Sätze in diesem

Sinne beruht natürlich ausschließlich auf ziemlich unvollkommenen

Erfahrungen. Wir werden jene Wahrheit der geometrischen Sätze zunächst

voraussetzen, um dann im letzten Teile unserer Betrachtungen (bei der

allgemeinen Relativitätstheorie) zu sehen, daß und inwiefern jene

Wahrheit ihre Grenzen hat.

§ 2. Das Koordinatensystem.

Auf Grund der angedeuteten physikalischen Interpretation des Abstandes

sind wir auch in der Lage, den Abstand zweier Punkte eines starren

Körpers auf Grund von Messungen festzusetzen. Dazu brauchen wir eine

ein- für allemal zu benutzende Strecke (Stäbchen _S_), welche als

Einheitsmaßstab verwendet wird. Sind nun _A_ und _B_ zwei Punkte eines

starren Körpers, so ist deren Verbindungsgerade konstruierbar nach den

Gesetzen der Geometrie; hierauf kann man auf dieser Verbindungsgeraden

die Strecke _S_ von _A_ aus so oft abtragen, bis man nach _B_ gelangt.

Die Zahl der Wiederholungen des Abtragens ist die Maßzahl der Strecke

_A͞B_. Hierauf beruht alles Messen von Längen[3].

Jede räumliche Beschreibung des Ortes eines Ereignisses oder

Gegenstandes beruht darauf, daß man den Punkt eines starren Körpers

(Bezugskörpers) angibt, mit dem jenes Ereignis koinzidiert. Dies gilt

nicht nur für die wissenschaftliche Beschreibung, sondern auch für

das tägliche Leben. Analysiere ich die Ortsangabe „in Berlin, auf dem

Potsdamer Platz“, so bedeutet sie folgendes. Die Erdoberfläche ist

der starre Körper, auf den sich die Ortsangabe bezieht; auf ihm ist

„Potsdamerplatz in Berlin“ ein markierter, mit Namen versehener Punkt,

mit dem das Ereignis räumlich koinzidiert[4].

Diese primitive Art der Ortsangabe kennt nur Orte an der Oberfläche

starrer Körper und ist an das Vorhandensein unterscheidbarer Punkte

dieser Oberfläche gebunden. Sehen wir zu, wie sich der menschliche

Geist von diesen beiden Beschränkungen befreit, ohne daß das Wesen

der Ortsangabe eine Änderung erfährt! Schwebt beispielsweise über

dem Potsdamer Platz eine Wolke, so kann der Ort dieser, bezogen auf

die Erdoberfläche, dadurch festgelegt werden, daß man auf dem Platze

senkrecht eine Stange errichtet, die bis zur Wolke hinaufreicht. Die

mit dem Einheitsmaßstab gemessene Länge der Stange in Verbindung

mit der Angabe des Ortes des Fußpunktes der Stange ist dann eine

vollständige Ortsangabe. An diesem Beispiele sehen wir, auf welchem

Wege eine Verfeinerung des Ortsbegriffes vor sich gegangen ist.

a) Man setzt den starren Körper, auf den sich die Ortsangabe bezieht,

in solcher Weise fort, daß der zu lokalisierende Gegenstand von dem

vervollständigten starren Körper erreicht wird.

b) Man benutzt zur Charakterisierung des Ortes die +Zahl+ statt

benannter Merkpunkte (hier die mit dem Maßstab gemessene Länge der

Stange).

c) Man spricht von der Höhe der Wolke auch dann, wenn eine

Stange, welche die Wolke erreicht, gar nicht errichtet ist. In

unserem Falle ermittelt man aus optischen Aufnahmen der Wolke von

verschiedenen Stellen des Bodens aus unter Berücksichtigung der

Ausbreitungseigenschaften des Lichtes, wie lang die Stange gemacht

werden müßte, um die Wolke zu erreichen.

Aus dieser Überlegung sieht man, daß es für die Beschreibung von

Orten vorteilhaft sein wird, wenn es gelingt, sich durch Verwendung

von Meßzahlen von der Existenz mit Namen versehener Merkpunkte auf

dem starren Körper, auf den sich die Ortsangabe bezieht, unabhängig

zu machen. Dies erreicht die messende Physik durch Anwendung des

Kartesischen Koordinatensystems.

Dieses besteht in drei zueinander senkrechten, zu einem starren Körper

verbundenen starren, ebenen Wänden. Der Ort irgendeines Geschehnisses

in bezug auf das Koordinatensystem wird (im wesentlichen) beschrieben

durch die Angabe der Länge der drei Lote oder Koordinaten (_x_, _y_,

_z_), welche von dem Geschehnis aus auf jene drei ebenen Wände gefällt

werden können. Die Längen dieser drei Lote sind durch eine Folge von

Manipulationen mit starren Stäben ermittelbar, welche Manipulationen

durch die Gesetze und Methoden der Euklidischen Geometrie

vorgeschrieben werden.

Bei den Anwendungen sind jene das Koordinatensystem bildenden starren

Wände meist nicht realisiert; auch werden die Koordinaten nicht

wirklich durch Konstruktionen mit starren Stäben, sondern indirekt

ermittelt. Der physikalische Sinn der Ortsangaben muß jedoch stets den

vorstehenden Eröterungen gemäß gesucht werden, wenn die Ergebnisse der

Physik und Astronomie nicht ins Unklare zerfließen sollen[5].

Es ergibt sich also folgendes: Jede räumliche Beschreibung von

Geschehnissen bedient sich eines starren Körpers, auf den die

Geschehnisse räumlich zu beziehen sind. Jene Beziehung setzt voraus,

daß für „Strecken“ die Gesetze der Euklidischen Geometrie gelten, wobei

die „Strecke“ physikalisch repräsentiert wird durch zwei Marken auf

einem starren Körper.

§ 3. Raum und Zeit in der klassischen Mechanik.

Wenn ich ohne schwere Bedenken und eingehende Erläuterungen die Aufgabe

der Mechanik so formuliere: „Die Mechanik hat zu beschreiben, wie die

Körper mit der Zeit ihren Ort im Raume ändern“, so nehme ich einige

Todsünden gegen den heiligen Geist der Klarheit auf mein Gewissen;

diese Sünden sollen zunächst aufgedeckt werden.

Es ist unklar, was hier unter „Ort“ und „Raum“ zu verstehen ist. Ich

stehe am Fenster eines gleichförmig fahrenden Eisenbahnwagens und

lasse einen Stein auf den Bahndamm fallen, ohne ihm einen Schwung zu

geben. Dann sehe ich (abgesehen vom Einfluß des Luftwiderstandes)

den Stein geradlinig herabfallen. Ein Fußgänger, der die Übeltat vom

Fußwege aus mit ansieht, bemerkt, daß der Stein in einem Parabelbogen

zur Erde herabfällt. Ich frage nun: Liegen die „Orte“, welche der

Stein durchläuft, „in Wirklichkeit“ auf einer Geraden oder auf einer

Parabel? Was bedeutet hier ferner Bewegung „im Raume“? Die Antwort ist

nach den Überlegungen des § 2 selbstverständlich. Zunächst lassen wir

das dunkle Wort „Raum“, unter dem wir uns bei ehrlichem Geständnis

nicht das geringste denken können, ganz beiseite; wir setzen statt

dessen „Bewegung in bezug auf einen praktisch starren Bezugskörper.“

Die Orte in bezug auf den Bezugskörper (Bahnwagen +oder+ Erdboden)

sind im vorigen Paragraphen bereits ausführlich definiert worden.

Indem wir statt „Bezugskörper“ den für die mathematische Beschreibung

nützlichen Begriff „Koordinatensystem“ einführen, können wir sagen:

Der Stein beschreibt in bezug auf ein mit dem Wagen starr verbundenes

Koordinatensystem eine Gerade, in bezug auf ein mit dem Erdboden

starr verbundenes Koordinatensystem eine Parabel. Man sieht an diesem

Beispiel deutlich, daß es eine Bahnkurve an sich nicht gibt, sondern

nur eine Bahnkurve in bezug auf einen bestimmten Bezugskörper.

Eine +vollständige+ Beschreibung der Bewegung kommt aber erst dadurch

zustande, daß man angibt, wie der Körper seinen Ort +mit der Zeit+

ändert; d. h. es muß für jeden Punkt der Bahnkurve angegeben werden,

zu welcher Zeit der Körper sich dort befindet. Diese Angaben müssen

durch eine solche Definition der Zeit vervollständigt werden, daß diese

Zeitwerte kraft jener Definition als prinzipiell beobachtbare Größen

(Resultate von Messungen) angesehen werden können. Dieser Forderung

entsprechen wir — auf dem Boden der klassischen Mechanik stehend — für

unser Beispiel in folgender Weise. Wir denken uns zwei genau gleich

beschaffene Uhren; die eine hat der Mann am Eisenbahnwagenfenster, die

andere der Mann auf dem Fußwege in der Hand. Jeder der beiden stellt

fest, an welcher Stelle des betreffenden Bezugskörpers der Stein sich

gerade befindet, wenn die Uhr tickt, die er in der Hand hat. Dabei

verzichten wir auf ein Eingehen auf die Ungenauigkeit, welche durch die

Endlichkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes hereinkommt.

Hiervon und von einer zweiten hier obwaltenden Schwierigkeit wird

später ausführlich die Rede sein.

§ 4. Das Galileische Koordinatensystem.

Bekanntlich lautet das unter dem Namen Trägheitsgesetz bekannte

Grundgesetz der +Galilei+-+Newton+schen Mechanik: Ein von anderen

Körpern hinreichend entfernter Körper verharrt im Zustande der

Ruhe oder der gleichförmig-geradlinigen Bewegung. Dieser Satz

sagt nicht nur etwas aus über die Bewegung der Körper, sondern

auch über die in der Mechanik zulässigen Bezugskörper oder

Koordinatensysteme, welche bei der mechanischen Beschreibung

verwendet werden dürfen. Körper, auf welche der Trägheitssatz

sicherlich mit großer Annäherung Anwendung finden kann, sind die

sichtbaren Fixsterne. Benutzen wir nun ein Koordinatensystem,

welches mit der Erde starr verbunden ist, so beschreibt relativ zu

ihm jeder Fixstern im Laufe eines (astronomischen) Tages einen

Kreis von ungeheurem Radius, im Widerspruch mit dem Wortlaut des

Trägheitsgesetzes. Hält man also an diesem Gesetze fest, so darf

man die Bewegungen nur auf Koordinatensysteme beziehen, relativ

zu welchen die Fixsterne keine Kreisbewegungen ausführen. Ein

Koordinatensystem, dessen Bewegungszustand ein solcher ist, daß relativ

zu ihm das Trägheitsgesetz gilt, nennen wir ein „+Galilei+sches

Koordinatensystem.“ Nur für ein +Galilei+sches Koordinatensystem

beanspruchen die Gesetze der +Galilei+-+Newton+schen Mechanik

Gültigkeit.

§ 5. Das Relativitätsprinzip (im engeren Sinne).

Wir gehen wieder, um möglichste Anschaulichkeit zu erzielen, von

dem Beispiel des gleichmäßig fahrenden Eisenbahnwagens aus. Seine

Bewegung nennen wir eine gleichförmige Translation („gleichförmig“,

weil von konstanter Geschwindigkeit und Richtung, „Translation“,

weil der Wagen relativ zum Fahrdamm zwar seinen Ort ändert, aber

hierbei keine Drehungen ausführt). Es fliege ein Rabe geradlinig und

gleichförmig — vom Bahndamm aus beurteilt — durch die Luft. Dann ist

— vom fahrenden Wagen aus beurteilt — die Bewegung des Raben zwar

eine Bewegung von anderer Geschwindigkeit und anderer Richtung; aber

sie ist ebenfalls geradlinig und gleichförmig. Abstrakt ausgedrückt:

Bewegt sich eine Masse _m_ geradlinig und gleichförmig in bezug auf

ein Koordinatensystem _K_, so bewegt sie sich auch geradlinig und

gleichförmig in bezug auf ein zweites Koordinatensystem _K′_, falls

letzteres in bezug auf _K_ eine gleichförmige Translationsbewegung

ausführt. Hieraus folgt mit Rücksicht auf die Darlegung des vorigen

Paragraphen:

Ist _K_ ein +Galilei+sches Koordinatensystem, so ist auch jedes andere

Koordinatensystem _K′_ ein +Galilei+sches, wenn _K′_ gegenüber _K_ im

Zustande gleichförmiger Translationsbewegung ist. In bezug auf _K′_

gelten die Gesetze der +Galilei+-+Newton+schen Mechanik ebenso wie in

bezug auf _K_.

Wir gehen in der Verallgemeinerung noch einen Schritt weiter, indem wir

den Satz aussprechen: Ist _K′_ ein in bezug auf _K_ gleichförmig und

drehungsfrei bewegtes Koordinatensystem, so verläuft das Naturgeschehen

in bezug auf _K′_ nach genau denselben allgemeinen Gesetzen wie in

bezug auf _K_. Diese Aussage nennen wir „Relativitätsprinzip“ (im

engeren Sinne).

Solange man überzeugt war, daß sich alles Naturgeschehen mit Hilfe

der klassischen Mechanik darstellen lasse, konnte man an der

Gültigkeit dieses Relativitätsprinzips nicht zweifeln. Mit der

neueren Entwickelung der Elektrodynamik und Optik aber ward es immer

mehr offenkundig, daß die klassische Mechanik als Grundlage für alle

physikalische Naturbeschreibung nicht zureichend sei. Damit wurde auch

die Frage nach der Gültigkeit des Relativitätsprinzips zu einer wohl

diskutierbaren, und es erschien nicht ausgeschlossen, daß die Antwort

auf diese Frage verneinend sein könnte.

Immerhin gibt es zwei allgemeine Tatsachen, die von vornherein sehr

für die Gültigkeit des Relativitätsprinzips sprechen. Wenn nämlich

die klassische Mechanik auch nicht eine genügend breite Basis für

die theoretische Darstellung +aller+ physikalischen Erscheinungen

liefert, so muß ihr doch ein sehr bedeutender Wahrheitsgehalt zukommen;

denn sie liefert mit bewunderungswürdiger Schärfe die tatsächlichen

Bewegungen der Himmelskörper. Es muß daher auch das Relativitätsprinzip

auf dem Gebiete +der Mechanik+ jedenfalls mit großer Genauigkeit

gelten. Daß aber ein Prinzip von so großer Allgemeinheit, welches

auf einem Erscheinungsgebiete mit solcher Exaktheit gilt, einem

anderen Erscheinungsgebiete gegenüber versage, ist a priori wenig

wahrscheinlich.

Das zweite Argument, auf welches wir später noch zurückkommen

werden, ist folgendes. Wenn das Relativitätsprinzip (im engeren

Sinne) nicht gilt, so werden die relativ zueinander gleichförmig

bewegten +Galilei+schen Koordinatensysteme _K_, _K′_, _K″_ usw.

nicht +gleichwertig+ sein für die Beschreibung des Naturgeschehens.

Dann wäre es kaum anders denkbar, als daß die Naturgesetze besonders

einfach und natürlich sich nur dann formulieren ließen, wenn unter

allen +Galilei+schen Koordinatensystemen +eines+ (_K₀_) von bestimmtem

Bewegungszustande als Bezugskörper gewählt würde. Dieses würden wir

dann mit Recht (wegen seiner Vorzüge für die Naturbeschreibung) als

das „absolut ruhende“ bezeichnen, die übrigen +Galilei+schen Systeme

_K_ aber als „bewegt“. Wäre z. B. unser Bahndamm das System _K₀_,

so wäre unser Eisenbahnwagen ein System _K_, in bezug auf welches

weniger einfache Gesetze gelten würden als in bezug auf _K₀_. Diese

geringere Einfachheit würde darauf zurückzuführen sein, daß der Wagen

_K_ gegen _K₀_ (d. h. „wirklich“) bewegt sei. In diesen in bezug auf

_K_ formulierten allgemeinen Naturgesetzen müßten Größe und Richtung

der Fahrgeschwindigkeit des Wagens eine Rolle spielen. Es wäre z. B. zu

erwarten, daß der Ton einer Orgelpfeife ein anderer wäre, wenn diese

mit ihrer Achse parallel zur Fahrrichtung gestellt wird, als wenn sie

mit ihrer Achse senkrecht zu dieser Richtung gestellt wird. Nun ist

aber unsere Erde wegen ihrer Bahnbewegung um die Sonne einem mit etwa

20 km Geschwindigkeit fahrenden Wagen vergleichbar. Es wäre daher im

Falle der Ungültigkeit des Relativitätsprinzips zu erwarten, daß die

momentane Bewegungsrichtung der Erde in die Naturgesetze eingehe, daß

also die physikalischen Systeme in ihrem Verhalten von der räumlichen

Orientierung gegen die Erde abhängen sollten. Denn wegen der im Laufe

des Jahres stattfindenden Änderung der Richtung der Geschwindigkeit

der Umlaufbewegung der Erde kann diese nicht das ganze Jahr hindurch

relativ zu dem hypothetischen System _K₀_ in Ruhe sein. Bei aller

Sorgfalt hat man aber eine derartige Anisotropie des irdischen

physikalischen Raumes, d. h. eine physikalische Ungleichwertigkeit

der verschiedenen Richtungen, niemals beobachten können. Dies ist ein

schwer wiegendes Argument zugunsten des Relativitätsprinzips.

§ 6. Das Additionstheorem der Geschwindigkeiten gemäß der klassischen

Mechanik.

Der schon oft betrachtete Eisenbahnwagen fahre mit der konstanten

Geschwindigkeit _v_ auf dem Geleise. Im Eisenbahnwagen durchschreite

ein Mann den Wagen in dessen Längsrichtung, und zwar in Richtung

der Fahrt mit der Geschwindigkeit _w_. Wie rasch bzw. mit welcher

Geschwindigkeit _W_ kommt der Mann relativ zum Bahndamm während des

Gehens vorwärts? Die einzig mögliche Antwort scheint aus folgender

Überlegung zu entspringen:

Würde der Mann eine Sekunde lang still stehen, so käme er relativ zum

Bahndamm um eine der Fahrgeschwindigkeit des Wagens gleiche Strecke _v_

vorwärts. In Wirklichkeit durchmißt er aber außerdem relativ zum Wagen,

also auch relativ zum Bahndamm in dieser Sekunde durch sein Gehen die

Strecke _w_, welche der Geschwindigkeit seines Ganges gleich ist. Er

legt also in der betrachteten Sekunde relativ zum Bahndamm im ganzen

die Strecke

_W_ = _v_ + _w_

zurück. Später werden wir sehen, daß diese Überlegung, welche das

Additionstheorem der Geschwindigkeiten gemäß der klassischen Mechanik

ausdrückt, nicht aufrecht erhalten werden kann, daß also das soeben

hingeschriebene Gesetz in Wahrheit nicht zutrifft. Einstweilen aber

werden wir auf dessen Richtigkeit bauen.

§ 7. Die scheinbare Unvereinbarkeit des Ausbreitungsgesetzes des

Lichtes mit dem Relativitätsprinzip.

Es gibt kaum ein einfacheres Gesetz in der Physik als dasjenige, gemäß

welchem sich das Licht im leeren Raume fortpflanzt. Jedes Schulkind

weiß oder glaubt zu wissen, daß diese Fortpflanzung geradlinig mit

einer Geschwindigkeit _c_ = 300000 km/Sek. geschieht. Wir wissen

jedenfalls mit großer Exaktheit, daß diese Geschwindigkeit für alle

Farben dieselbe ist; denn wäre dies nicht der Fall, so würde bei

der Bedeckung eines Fixsternes durch seinen dunklen Begleiter das

Emissionsminimum für die verschiedenen Farben nicht gleichzeitig

beobachtet werden. Durch eine ähnliche, an die Beobachtungen der

Doppelsterne sich knüpfende Überlegung konnte der holländische Astronom

+De Sitter+ auch zeigen, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit

des Lichtes von der Bewegungsgeschwindigkeit des das Licht

emittierenden Körpers nicht abhängen kann. Die Annahme, daß diese

Fortpflanzungsgeschwindigkeit von der Richtung „im Raume“ abhänge, ist

an sich unwahrscheinlich.

Kurz, nehmen wir einmal an, das einfache Gesetz von der konstanten

Lichtgeschwindigkeit _c_ (im Vakuum) werde von dem Schulkinde mit Recht

geglaubt! Wer möchte denken, daß dieses simple Gesetz den gewissenhaft

überlegenden Physiker in die größten gedanklichen Schwierigkeiten

gestürzt hat? Diese Schwierigkeiten ergeben sich wie folgt.

Natürlich müssen wir den Vorgang der Lichtausbreitung wie jeden anderen

auf einen starren Bezugskörper (Koordinatensystem) beziehen. Als

solchen wählen wir wieder unseren Bahndamm. Die Luft über demselben

wollen wir uns weggepumpt denken. Längs des Bahndammes werde ein

Lichtstrahl gesandt, dessen Scheitel sich nach dem vorigen mit der

Geschwindigkeit _c_ relativ zum Bahndamme fortpflanzt. Auf dem

Geleise fahre wieder unser Eisenbahnwagen mit der Geschwindigkeit

_v_, und zwar in derselben Richtung, in der sich der Lichtstrahl

fortpflanzt, aber natürlich viel langsamer. Wir fragen nach der

Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtstrahles relativ zum

Wagen. Es ist leicht ersichtlich, daß hier die Betrachtung des

vorigen Paragraphen Anwendung finden kann; denn der relativ zum

Eisenbahnwagen laufende Mann spielt die Rolle des Lichtstrahles.

Statt dessen Geschwindigkeit _W_ gegen den Bahndamm tritt hier die

Lichtgeschwindigkeit gegen diesen; _w_ ist die gesuchte Geschwindigkeit

des Lichtes gegen den Wagen, für welche also gilt:

_w_ = _c_ − _v_.

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtstrahles relativ zum Wagen

ergibt sich also als kleiner als _c_.

Dies Ergebnis verstößt aber gegen das im § 5 dargelegte

Relativitätsprinzip. Das Gesetz der Lichtausbreitung im Vakuum müßte

nämlich nach dem Relativitätsprinzip wie jedes andere allgemeine

Naturgesetz für den Eisenbahnwagen als Bezugskörper gleich lauten

wie für das Geleise als Bezugskörper. Das erscheint aber nach unserer

Betrachtung unmöglich. Wenn sich jeder Lichtstrahl in bezug auf den

Damm mit der Geschwindigkeit _c_ fortpflanzt, so scheint eben deshalb

das Lichtausbreitungsgesetz in bezug auf den Wagen ein anderes sein zu

müssen — im Widerspruch mit dem Relativitätsprinzip.

Im Hinblick auf dies Dilemma erscheint es unerläßlich, entweder das

Relativitätsprinzip oder das einfache Gesetz der Fortpflanzung des

Lichtes im Vakuum aufzugeben. Gewiß wird der Leser, der den bisherigen

Ausführungen aufmerksam gefolgt ist, erwarten, daß das Prinzip der

Relativität, das sich durch seine Natürlichkeit und Einfachheit

dem Geiste als fast unabweislich empfiehlt, aufrecht zu erhalten

sei, daß aber das Gesetz der Lichtausbreitung im Vakuum durch ein

komplizierteres, mit dem Relativitätsprinzip vereinbares Gesetz zu

ersetzen sei. Die Entwickelung der theoretischen Physik zeigte aber,

daß dieser Weg nicht gangbar ist. Die bahnbrechenden theoretischen

Forschungen von +H. A. Lorentz+ über die elektrodynamischen und

optischen Vorgänge in bewegten Körpern zeigten nämlich, daß die

Erfahrungen in diesen Gebieten mit zwingender Notwendigkeit zu einer

Theorie der elektromagnetischen Vorgänge führen, welche das Gesetz

der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur unabweisbaren

Konsequenz hat. Deshalb waren die führenden Theoretiker eher geneigt,

das Relativitätsprinzip fallen zu lassen, trotzdem sich keine einzige

Erfahrungstatsache auffinden ließ, welche diesem Prinzip widersprochen

hätte.

Hier setzte die Relativitätstheorie ein. Durch eine Analyse der

physikalischen Begriffe von Zeit und Raum zeigte sich, +daß in

Wahrheit eine Unvereinbarkeit des Relativitätsprinzips mit dem

Ausbreitungsgesetz des Lichtes gar nicht vorhanden sei+, daß man

vielmehr durch systematisches Festhalten an diesen beiden Gesetzen zu

einer logisch einwandfreien Theorie gelange. Diese Theorie, welche wir

zum Unterschiede von ihrer später zu besprechenden Erweiterung als

„spezielle Relativitätstheorie“ bezeichnen, soll im folgenden in ihren

Grundgedanken dargestellt werden.

§ 8. Über den Zeitbegriff in der Physik.

An zwei weit voneinander entfernten Stellen _A_ und _B_ unseres

Bahndammes hat der Blitz ins Geleise eingeschlagen. Ich füge die

Behauptung hinzu, diese beiden Schläge seien +gleichzeitig+ erfolgt.

Wenn ich dich nun frage, lieber Leser, ob diese Aussage einen Sinn

habe, so wirst du mir mit einem überzeugten „Ja“ antworten. Wenn ich

aber jetzt in dich dringe mit der Bitte, mir den Sinn der Aussage

genauer zu erklären, merkst du nach einiger Überlegung, daß die Antwort

auf diese Frage nicht so einfach ist, wie es auf den ersten Blick

scheint.

Nach einiger Zeit wird dir vielleicht folgende Antwort in den Sinn

kommen: „Die Bedeutung der Aussage ist an und für sich klar und bedarf

keiner weiteren Erläuterung; einiges Nachdenken müßte ich allerdings

aufwenden, wenn ich den Auftrag erhielte, durch Beobachtungen zu

ermitteln, ob im konkreten Falle die beiden Ereignisse gleichzeitig

stattfanden oder nicht.“ Mit dieser Antwort kann ich mich aber aus

folgendem Grunde nicht zufrieden geben. Gesetzt, ein geschickter

Meteorologe hätte durch scharfsinnige Überlegungen herausgefunden, daß

es an den Orten _A_ und _B_ immer gleichzeitig einschlagen müsse, dann

entsteht die Aufgabe, nachzuprüfen, ob dieses theoretische Resultat

der Wirklichkeit entspricht oder nicht. Analog ist es bei allen

physikalischen Aussagen, bei denen der Begriff „gleichzeitig“ eine

Rolle spielt. Der Begriff existiert für den Physiker erst dann, wenn

die Möglichkeit gegeben ist, im konkreten Falle herauszufinden, ob der

Begriff zutrifft oder nicht. Es bedarf also einer solchen Definition

der Gleichzeitigkeit, daß diese Definition die Methode an die Hand

gibt, nach welcher im vorliegenden Falle aus Experimenten entschieden

werden kann, ob beide Blitzschläge gleichzeitig erfolgt sind oder

nicht. Solange diese Forderung nicht erfüllt ist, gebe ich mich als

Physiker (allerdings auch als Nichtphysiker!) einer Täuschung hin, wenn

ich glaube, mit der Aussage der Gleichzeitigkeit einen Sinn verbinden

zu können. (Bevor du mir dies mit Überzeugung zugegeben hast, lieber

Leser, lies nicht weiter.)

Nach einiger Zeit des Nachdenkens machst du nun folgenden Vorschlag

für das Konstatieren der Gleichzeitigkeit. Die Verbindungsstrecke _AB_

werde dem Geleise nach ausgemessen und in die Mitte _M_ der Strecke

ein Beobachter gestellt, der mit einer Einrichtung versehen ist (etwa

zwei um 90° gegeneinander geneigte Spiegel), die ihm eine gleichzeitige

optische Fixierung beider Orte _A_ und _B_ erlaubt. Nimmt dieser die

beiden Blitzschläge gleichzeitig wahr, so sind sie gleichzeitig.

Ich bin mit diesem Vorschlag sehr zufrieden und halte die Sache dennoch

nicht für ganz geklärt, weil ich mich zu folgendem Einwand gedrängt

fühle: „Deine Definition wäre unbedingt richtig, wenn ich schon wüßte,

daß das Licht, welches dem Beobachter in _M_ die Wahrnehmung der

Blitzschläge vermittelt, sich mit der gleichen Geschwindigkeit auf

der Strecke _A_ ⟶ _M_ wie auf der Strecke _B_ ⟶ _M_ fortpflanze. Eine

Prüfung dieser Voraussetzung wäre aber nur dann möglich, wenn man über

die Mittel der Zeitmessung bereits verfügte. Man scheint sich also hier

in einem logischen Zirkel zu bewegen.“

Nach einiger weiterer Überlegung wirfst du mir aber mit Recht einen

etwas verächtlichen Blick zu und erklärst mir: „Ich halte meine

Definition von vorhin trotzdem aufrecht, da sie in Wahrheit gar nichts

über das Licht voraussetzt. An die Definition der Gleichzeitigkeit ist

nur die +eine+ Forderung zu stellen, daß sie in jedem realen Falle

eine empirische Entscheidung an die Hand gibt über das Zutreffen oder

Nichtzutreffen des zu definierenden Begriffs. Daß meine Definition

dies leistet, ist unbestreitbar. Daß das Licht zum Durchlaufen des

Weges _A_ ⟶ _M_ und zum Durchlaufen der Strecke _B_ ⟶ _M_ dieselbe

Zeit brauche, ist in Wahrheit keine +Voraussetzung oder Hypothese+

über die physikalische Natur des Lichtes, sondern eine +Festsetzung+,

die ich nach freiem Ermessen treffen kann, um zu einer Definition der

Gleichzeitigkeit zu gelangen.“

Es ist klar, daß diese Definition benutzt werden kann, um der Aussage

der Gleichzeitigkeit nicht nur +zweier+ Ereignisse, sondern beliebig

vieler Ereignisse einen exakten Sinn zu geben, wie die Ereignisorte

relativ zum Bezugskörper (hier dem Bahndamm) gelagert sein mögen[6].

Damit gelangt man auch zu einer Definition der „Zeit“ in der Physik.

Man denke sich nämlich in den Punkten _A_, _B_, _C_ des Geleises

(Koordinatensystems) Uhren von gleicher Beschaffenheit aufgestellt

und derart gerichtet, daß deren Zeigerstellungen gleichzeitig (im

obigen Sinne) dieselben sind. Dann versteht man unter der „Zeit“ eines

Ereignisses die Zeitangabe (Zeigerstellung) derjenigen dieser Uhren,

welche dem Ereignis (räumlich) unmittelbar benachbart ist. Auf diese

Weise wird jedem Ereignis ein Zeitwert zugeordnet, der sich prinzipiell

beobachten läßt.

Diese Festsetzung enthält noch eine physikalische Hypothese, an deren

Zutreffen man ohne empirische Gründe kaum zweifeln wird. Es ist

nämlich angenommen, daß alle diese Uhren „gleich rasch“ gehen, wenn

sie von gleicher Beschaffenheit sind. Exakt formuliert: Wenn zwei an

verschiedenen Stellen des Bezugskörpers ruhend angeordnete Uhren so

eingestellt werden, daß +eine+ Zeigerstellung der einen mit +derselben+

Zeigerstellung der anderen +gleichzeitig+ (im obigen Sinne) ist, so

sind gleiche Zeigerstellungen überhaupt gleichzeitig (im Sinne obiger

Definition).

§ 9. Die Relativität der Gleichzeitigkeit.

Bisher haben wir alle Betrachtungen auf einen bestimmten Bezugskörper

bezogen, den wir als „Bahndamm“ bezeichnet haben. Es fahre nun auf

dem Geleise ein sehr langer Zug mit der konstanten Geschwindigkeit

_v_ in der in Fig. 1 angegebenen Richtung. Menschen, die in diesem

Zuge fahren, werden mit Vorteil den Zug als starren Bezugskörper

(Koordinatensystem) verwenden; sie beziehen alle Ereignisse auf den

Zug. Jedes Ereignis, welches längs des Geleises stattfindet, findet

dann auch an einem bestimmten Punkte des Zuges statt. Auch die

Definition der Gleichzeitigkeit läßt sich in bezug auf den Zug in genau

derselben Weise geben, wie in bezug auf den Bahndamm. Es entsteht aber

nun naturgemäß folgende Frage:

Sind zwei Ereignisse (z. B. die beiden Blitzschläge _A_ und _B_),

welche +in bezug auf den Bahndamm+ gleichzeitig sind, auch +in bezug

auf den Zug+ gleichzeitig? Wir werden sogleich zeigen, daß die Antwort

verneinend lauten muß.

[Illustration: Fig. 1.]

Wenn wir sagen, daß die Blitzschläge _A_ und _B_ in bezug auf den

Bahndamm gleichzeitig sind, so bedeutet dies: die von den Blitzorten

_A_ und _B_ ausgehenden Lichtstrahlen begegnen sich in dem Mittelpunkte

_M_ der Fahrdammstrecke _A_–_B_. Den Ereignissen _A_ und _B_

entsprechen aber auch Stellen _A_ und _B_ auf dem Zuge. Es sei _M′_

der Mittelpunkt der Strecke _A_—_B_ des fahrenden Zuges. Dieser Punkt

_M′_ fällt zwar im Augenblick der Blitzschläge[7] mit dem Punkte _M_

zusammen, bewegt sich aber in der Zeichnung mit der Geschwindigkeit _v_

des Zuges nach rechts. Würde ein bei _M′_ im Zuge sitzender Beobachter

diese Geschwindigkeit nicht besitzen, so würde er dauernd in _M_

bleiben, und es würden ihn dann die von den Blitzschlägen _A_ und _B_

ausgehenden Lichtstrahlen gleichzeitig erreichen, d. h., diese beiden

Strahlen würden sich gerade bei ihm begegnen. In Wahrheit aber eilt

er (vom Bahndamm aus beurteilt) dem von _B_ herkommenden Lichtstrahl

entgegen, während er dem von _A_ herkommenden Lichtstrahl vorauseilt.

Der Beobachter wird also den von _B_ ausgehenden Lichtstrahl früher

sehen, als den von _A_ ausgehenden. Die Beobachter, welche den

Eisenbahnzug als Bezugskörper benutzen, müssen also zu dem Ergebnis

kommen, der Blitzschlag _B_ habe früher stattgefunden als der

Blitzschlag _A_. Wir kommen also zu dem wichtigen Ergebnis:

Ereignisse, welche in bezug auf den Bahndamm gleichzeitig sind, sind

in bezug auf den Zug nicht gleichzeitig und umgekehrt (Relativität der

Gleichzeitigkeit). Jeder Bezugskörper (Koordinatensystem) hat seine

besondere Zeit; eine Zeitangabe hat nur dann einen Sinn, wenn der

Bezugskörper angegeben ist, auf den sich die Zeitangabe bezieht.

Die Physik hat nun vor der Relativitätstheorie stets stillschweigend

angenommen, daß die Bedeutung der Zeitangaben eine absolute, d. h.

vom Bewegungszustande des Bezugskörpers unabhängige, sei. Daß diese

Annahme aber mit der nächstliegenden Definition der Gleichzeitigkeit

unvereinbar ist, haben wir soeben gesehen; läßt man sie fallen,

so verschwindet der in § 7 entwickelte Konflikt des Gesetzes der

Vakuum-Lichtausbreitung mit dem Relativitätsprinzip.

Zu jenem Konflikt führt nämlich die Überlegung des § 6, die nun nicht

mehr aufrecht zu erhalten ist. Wir schlossen dort, daß der Mann im

Wagen, der relativ zu diesem die Strecke _w_ +in einer Sekunde+

durchläuft, diese Strecke auch relativ zum Bahndamm +in einer Sekunde+

durchläuft. Da nun aber die Zeit, welche ein bestimmter Vorgang mit

Bezug auf den Wagen braucht, nach den soeben angestellten Überlegungen

nicht gleich gesetzt werden darf der vom Bahndamm als Bezugskörper aus

beurteilten Dauer desselben Vorganges, so kann nicht behauptet werden,

daß der Mann durch sein Gehen relativ zum Geleise die Strecke _w_ in

einer Zeit zurücklegt, welche — vom Bahndamm aus beurteilt — gleich

einer Sekunde ist.

Die Überlegung des § 6 ruht übrigens noch auf einer zweiten

Voraussetzung, die im Lichte einer strengen Überlegung als willkürlich

erscheint, wenn sie auch vor der Aufstellung der Relativitätstheorie

stets (stillschweigend) gemacht wurde.

§ 10. Über die Relativität des Begriffes der räumlichen Entfernung.

Wir betrachten zwei bestimmte Stellen des mit der Geschwindigkeit

_v_ längs des Bahndammes dahinfahrenden Zuges[8] und fragen nach

deren Entfernung. Wir wissen bereits, daß man zur Messung einer

Entfernung eines Bezugskörpers bedarf, mit Bezug auf welchen die

Entfernung ausgemessen wird. Am einfachsten ist es, den Zug selbst als

Bezugskörper (Koordinatensystem) zu verwenden. Ein im Zuge fahrender

Beobachter mißt den Abstand, indem er in gerader Linie seinen Maßstab

etwa längs der Wagenböden so oft aufträgt, bis er von dem einen

markierten Punkte zum anderen gelangt. Die Zahl, welche angibt, wie oft

der Stab angelegt werden muß, ist dann die gesuchte Entfernung.

Anders ist es, wenn die Entfernung vom Geleise aus beurteilt werden

soll. Da bietet sich folgende Methode. Nennt man _A′_ und _B′_ die

beiden Punkte des Zuges, um deren Entfernung es sich handelt, so sind

diese beiden Punkte mit der Geschwindigkeit _v_ längs des Bahndammes

bewegt. Wir fragen nun zuerst nach den Punkten _A_ bzw. _B_ des

Bahndammes, bei welchen die beiden Punkte _A′_ und _B′_ zu einer

bestimmten Zeit _t_ — vom Bahndamm aus beurteilt — gerade vorbeilaufen.

Diese Punkte _A_ und _B_ des Bahndammes sind vermöge der in § 8

gegebenen Zeitdefinition ermittelbar. Hierauf wird der Abstand dieser

Punkte _A_ und _B_ durch wiederholtes Abtragen des Meterstabes längs

des Bahndammes gemessen.

Es ist a priori durchaus nicht ausgemacht, daß diese letztere Messung

dasselbe Ergebnis zeitigen müsse wie die erstere. Vom Bahndamm aus

gemessen kann also die Länge des Zuges eine andere sein als vom Zuge

selbst aus gemessen. Dieser Umstand ergibt einen zweiten gegen die

scheinbar so einleuchtende Betrachtung des § 6 zu erhebenden Einwand.

Legt nämlich der Mann im Wagen in einer Zeiteinheit — +vom Zuge aus

gemessen+ — die Strecke _w_ zurück, so braucht diese Strecke — +vom

Bahndamm aus gemessen+ — nicht auch gleich _w_ zu sein.

§ 11. Die Lorentz-Transformation.

Die Überlegungen der letzten drei Paragraphen zeigen uns, daß die

scheinbare Unvereinbarkeit des Ausbreitungsgesetzes des Lichtes mit dem

Relativitätsprinzip in § 7 durch eine Betrachtung abgeleitet worden

ist, welche der klassischen Mechanik zwei durch nichts gerechtfertigte

Hypothesen entlehnte; diese Hypothesen lauten:

1. Der Zeitabstand zwischen zwei Ereignissen ist vom

Bewegungszustande des Bezugskörpers unabhängig.

2. Der räumliche Abstand zwischen zwei Punkten eines starren Körpers

ist vom Bewegungszustande des Bezugskörpers unabhängig.

Läßt man nun diese Hypothesen fallen, so verschwindet das Dilemma des §

7, weil das in § 6 abgeleitete Additionstheorem der Geschwindigkeiten

ungültig wird. Es taucht vor uns die Möglichkeit auf, daß das Gesetz

der Lichtausbreitung im Vakuum mit dem Relativitätsprinzip vereinbar

sein könnte. Wir kommen zu der Frage: Wie ist die Überlegung des §

6 zu modifizieren, um den scheinbaren Widerspruch zwischen diesen

beiden fundamentalen Ergebnissen der Erfahrung zu beseitigen? Diese

Frage führt auf eine allgemeine. In der Überlegung des § 6 kommen Orte

und Zeiten in bezug auf den Zug und in bezug auf den Bahndamm vor.

Wie findet man Ort und Zeit eines Ereignisses in bezug auf den Zug,

wenn Ort und Zeit des Ereignisses in bezug auf den Bahndamm bekannt

sind? Gibt es eine solche denkbare Antwort auf diese Frage, daß das

Gesetz der Lichtausbreitung im Vakuum dem Relativitätsprinzip nicht

widerspricht? Anders ausgedrückt: Ist eine Relation zwischen Ort und

Zeit der einzelnen Ereignisse in bezug auf beide Bezugskörper denkbar,

derart, daß jeder Lichtstrahl relativ zum Bahndamm +und+ relativ zum

Zug die Ausbreitungsgeschwindigkeit _c_ besitzt? Diese Frage führt zu

einer bejahenden, ganz bestimmten Antwort, zu einem ganz bestimmten

Verwandlungsgesetz für die Raum-Zeit-Größen eines Ereignisses beim

Übergang von einem Bezugskörper zu einem anderen.

Bevor wir hierauf eingehen, sei folgende Zwischenüberlegung

eingeschaltet. Wir haben bis jetzt stets nur Ereignisse betrachtet, die

sich längs des Bahndammes abspielten, der mathematisch die Funktion

einer geraden Linie zu übernehmen hatte. Man kann sich aber in der

in § 2 angegebenen Weise diesen Bezugskörper seitlich und nach oben

durch ein Stabgerüst derart fortgesetzt denken, daß ein irgendwo

stattfindendes Ereignis relativ zu diesem Stabgerüst lokalisiert

werden kann. Analog kann man sich den mit der Geschwindigkeit _v_

fahrenden Zug durch den ganzen Raum fortgesetzt denken, so daß

jedes noch so ferne Ereignis auch in bezug auf das zweite Gerüst

lokalisiert werden könnte. Davon, daß diese Gerüste einander in

Wahrheit wegen der Undurchdringlichkeit der festen Körper immer

wieder zerstören müßten, können wir absehen, ohne in prinzipielle

Fehler zu geraten. In jedem solchen Gerüst denken wir uns drei

aufeinander senkrechte Wände ausgezeichnet und als „Koordinatenebenen“

bezeichnet („Koordinatensystem“). Dem Bahndamm entspricht dann ein

Koordinatensystem _K_, dem Zug ein Koordinatensystem _K′_. Ein irgendwo

stattfindendes Ereignis wird bezüglich _K_ räumlich fixiert durch die

drei Lote _x_, _y_, _z_ auf die Koordinatenebenen und zeitlich fixiert

durch einen Zeitwert _t_. +Dasselbe Ereignis+ wird bezüglich _K′_

raum-zeitlich fixiert durch entsprechende Werte _x′_, _y′_, _z′_, _t′_,

welche mit _x_, _y_, _z_, _t_ natürlich nicht übereinstimmen. Wie diese

Größen als Ergebnisse physikalischer Messungen aufzufassen sind, wurde

früher ausführlich dargelegt.

[Illustration: Fig. 2.]

Unser Problem lautet in exakter Formulierung offenbar folgendermaßen.

Wie groß sind die Werte _x′_, _y′_, _z′_, _t′_ eines Ereignisses

in bezug auf _K′_, wenn die Größen _x_, _y_, _z_, _t_ desselben

Ereignisses in bezug auf _K_ gegeben sind? Die Beziehungen müssen so

gewählt werden, daß dem Gesetz der Vakuumfortpflanzung des Lichtes

für einen und denselben Lichtstrahl (und zwar für jeden) in bezug auf

_K_ +und+ _K′_ Genüge geleistet wird. Dies Problem wird für die in

der Zeichnung (Fig. 2) angegebene relative räumliche Orientierung der

Koordinatensysteme gelöst durch die Gleichungen:

x′ = (x−vt) / sqrt (1 − v²/c²)

y′ = y

z′ = z

t′ = (t − vx/c² ) / sqrt (1 − v²/c²),

welches Gleichungssystem mit dem Namen „Lorentz-Transformation“

bezeichnet wird.

Würden wir aber an Stelle des Lichtausbreitungsgesetzes die

stillschweigenden Voraussetzungen der alten Mechanik von dem absoluten

Charakter der Zeiten und Längen zugrunde gelegt haben, so würden wir

statt dieser Transformationsgleichungen zu den Gleichungen

x′ = x − vt

y′ = y

z′ = z

t′ = t

gelangt sein, welches System man oft als „Galilei-Transformation“

bezeichnet. Die Galilei-Transformation geht aus der

Lorentz-Transformation dadurch hervor, daß man in letzterer die

Lichtgeschwindigkeit _c_ gleich einem unendlich großen Werte setzt.

Daß gemäß der Lorentz-Transformation das Gesetz der Lichtausbreitung im

Vakuum sowohl für den Bezugskörper _K_ wie für den Bezugskörper _K′_

erfüllt sein kann, sieht man bequem an folgendem Beispiel. Es werde ein

Lichtsignal längs der positiven _x_-Achse gesandt, und es pflanze sich

die Lichterregung gemäß der Gleichung

x = ct,

also mit der Geschwindigkeit _c_ fort. Gemäß den Gleichungen der

Lorentz-Transformation bedingt diese einfache Beziehung zwischen _x_

und _t_ eine Beziehung zwischen _x′_ und _t′_. In der Tat liefert die

erste und vierte Gleichung der Lorentz-Transformation, wenn man in

dieselben für _x_ den Wert _ct_ einsetzt:

x′ = (c−v)t / sqrt (1−v²/c²)

t′ = (1−v/c)t / sqrt (1−v²/c²),

aus welchen dann durch Division unmittelbar

x′ = ct′

folgt. Nach dieser Gleichung erfolgt die Lichterregung, wenn sie

auf das System _K′_ bezogen wird. Es zeigt sich also, daß die

Ausbreitungsgeschwindigkeit auch relativ zum Bezugskörper _K′_ gleich

_c_ ist. Analog ist es mit Lichtstrahlen, die sich in beliebiger

anderer Richtung fortpflanzen. Dies ist natürlich nicht zu verwundern,

denn die Gleichungen der Lorentz-Transformation sind ja nach diesem

Gesichtspunkte abgeleitet.

§ 12. Das Verhalten bewegter Stäbe und Uhren.

Ich lege einen Meterstab in die _x′_-Achse von _K′_ derart, daß sein

Anfang in den Punkt _x′_ = 0, sein Ende in den Punkt _x′_ = 1 fällt.

Welches ist die Länge des Meterstabes relativ zum System _K_? Um das

zu erfahren, brauchen wir nur zu fragen, wo Stabanfang und Stabende

relativ zu _K_ liegen zu einer bestimmten Zeit _t_ des Systems _K_.

Man findet für diese beiden Punkte aus der ersten Gleichung der

Lorentz−Transformation:

x_{(Stabanfang)} = 0 · sqrt(1−v²/c²)

x_{(Stabende)} = 1 · sqrt(1−v²/c²),

welche beiden Punkte den Abstand sqrt(1−v²/c²) haben. Relativ zu _K_

ist aber der Meterstab mit der Geschwindigkeit _v_ bewegt. Es folgt

also, daß die Länge eines mit der Geschwindigkeit _v_ in seiner

Längsrichtung bewegten starren Meterstabes sqrt(1−v²/c²) Meter beträgt.

Der bewegte starre Stab ist also kürzer als derselbe Stab, wenn er im

Zustande der Ruhe ist, und zwar um so kürzer, je rascher er bewegt

ist. Für die Geschwindigkeit _v_ = _c_ wäre sqrt(1−v²/c² = 0), für

noch größere Geschwindigkeiten wird die Wurzel imaginär. Wir schließen

daraus, daß in der Relativitätstheorie die Geschwindigkeit _c_ die

Rolle einer Grenzgeschwindigkeit spielt, die durch keinen wirklichen

Körper erreicht oder gar überschritten werden könnte.

Diese Rolle der Geschwindigkeit _c_ als einer Grenzgeschwindigkeit

folgt übrigens bereits aus den Gleichungen der Lorentz-Transformation

selbst. Denn diese werden sinnlos, wenn _v_ größer als _c_ gewählt wird.

Hätten wir umgekehrt einen Meterstab betrachtet, der in der _x_-Achse

relativ zu _K_ ruht, so hätten wir gefunden, daß er, von _K′_ aus

beurteilt, die Länge sqrt(1−v²/c²) hat; dies liegt ganz im Sinne des

Relativitätsprinzips, welches unseren Betrachtungen zugrunde gelegt ist.

Daß wir aus den Transformationsgleichungen etwas über das physikalische

Verhalten von Maßstäben und Uhren erfahren müssen, liegt a priori auf

der Hand. Denn die Größen _x_, _y_, _z_, _t_ sind ja nichts anderes

als mit Maßstäben und Uhren zu gewinnende Meßresultate. Hätten wir

die Galilei-Transformation zugrunde gelegt, so hätten wir eine

Stabverkürzung infolge der Bewegung nicht erhalten.

Wir betrachten nun eine Sekundenuhr, die dauernd im Anfangspunkte

(_x′_ = 0) von _K′_ ruht. _t′_ = 0 und _t′_ = 1 seien zwei aufeinander

folgende Schläge dieser Uhr. Für diese beiden Schläge ergeben die erste

und vierte der Gleichungen der Lorentz-Transformation:

t = 0

und

t = 1/sqrt(1−v²/c²).

Von _K_ aus beurteilt ist die Uhr mit der Geschwindigkeit _v_ bewegt;

von diesem Bezugskörper aus beurteilt vergeht zwischen zweien ihrer

Schläge nicht eine Sekunde, sondern 1/sqrt(1−v²/c²) Sekunden, also

eine etwas größere Zeit. Die Uhr geht infolge ihrer Bewegung langsamer

als im Zustande der Ruhe. Auch hier spielt die Geschwindigkeit _c_ die

Rolle einer unerreichbaren Grenzgeschwindigkeit.

§ 13. Additionstheorem der Geschwindigkeiten. +Fizeau+scher

Versuch.

Da wir Uhren und Maßstäbe in praxi nur mit Geschwindigkeiten bewegen

können, die klein sind gegen die Lichtgeschwindigkeit _c_, so

werden die Ergebnisse des vorigen Paragraphen kaum direkt mit der

Wirklichkeit verglichen werden können. Da dieselben andererseits dem

Leser recht sonderbar vorkommen werden, so will ich nun aus der Theorie

eine andere Konsequenz ziehen, die aus dem bisher Dargelegten leicht

abzuleiten ist, und die durch das Experiment glänzend bestätigt wird.

In § 6 haben wir das Additionstheorem für gleich gerichtete

Geschwindigkeiten abgeleitet, so, wie es sich aus den Hypothesen

der klassischen Mechanik ergibt. Dasselbe läßt sich auch leicht

aus der Galilei-Transformation (§ 11) folgern. Statt des gehenden

Mannes im Wagen führen wir einen Punkt ein, der sich relativ zum

Koordinatensystem _K′_ nach der Gleichung

x′ = wt′

bewegt. Aus der ersten und vierten Gleichung der Galilei-Transformation

kann man _x′_ und _t′_ durch _x_ und _t_ ausdrücken und erhält so:

x = (v + w) t.

Diese Gleichung drückt nichts anderes aus als das Bewegungsgesetz des

Punktes gegenüber dem System _K_ (des Mannes gegenüber dem Bahndamm),

welche Geschwindigkeit wir mit _W_ bezeichnen, so daß man, wie in § 6,

erhält:

Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie · 第 5 / 8 题