Nach +Newton+s Bewegungsgesetz ist

(Kraft) = (träge Masse) . (Beschleunigung),

wobei die „träge Masse“ eine charakteristische Konstante des

beschleunigten Körpers ist. Ist nun die beschleunigende Kraft die

Schwere, so ist andererseits

(Kraft) = (schwere Masse) . (Intensität des Schwerefeldes),

wobei die „schwere Masse“ ebenfalls eine für den Körper

charakteristische Konstante ist. Aus beiden Relationen folgt:

(Beschleunigung) = (schwere Masse) / (träge Masse) . (Intensität des

Schwerefeldes)

Soll nun, wie die Erfahrung ergibt, bei gegebenem Schwerefelde die

Beschleunigung unabhängig von der Natur und dem Zustande des Körpers

stets dieselbe sein, so muß das Verhältnis der schweren zur trägen

Masse ebenfalls für alle Körper gleich sein. Man kann also dies

Verhältnis bei passender Wahl der Einheiten zu 1 machen; dann gilt der

Satz: Die +schwere+ und die +träge+ Masse eines Körpers sind einander

gleich.

Die bisherige Mechanik hat diesen wichtigen Satz zwar +registriert+,

aber nicht +interpretiert+. Eine befriedigende Interpretation kann nur

so zustande kommen, daß man einsieht: +Dieselbe+ Qualität des Körpers

äußert sich je nach Umständen als „Trägheit“ oder als „Schwere“.

Inwiefern dies tatsächlich der Fall ist, und wie diese Frage mit dem

allgemeinen Relativitätspostulat zusammenhängt, wird im nächsten

Paragraphen dargelegt werden.

§ 20. Die Gleichheit der trägen und schweren Masse als Argument für das

allgemeine Relativitätspostulat.

Wir denken uns ein geräumiges Stück leeren Weltraumes, so weit weg von

Sternen und erheblichen Massen, daß wir mit erheblicher Genauigkeit

den Fall vor uns haben, der im +Galilei+schen Grundgesetz vorgesehen

ist. Es ist dann möglich, für diesen Teil Welt einen +Galilei+schen

Bezugskörper zu wählen, relativ zu dem ruhende Punkte ruhend bleiben,

bewegte dauernd in geradlinig gleichförmiger Bewegung verharren. Als

Bezugskörper denken wir uns einen geräumigen Kasten von der Gestalt

eines Zimmers; darin befinde sich ein mit Apparaten ausgestatteter

Beobachter. Für diesen gibt es natürlich keine Schwere. Er muß sich mit

Schnüren am Boden befestigen, wenn er nicht beim leisesten Stoß gegen

den Boden langsam gegen die Decke des Zimmers entschweben will.

In der Mitte der Kastendecke sei außen ein Haken mit Seil befestigt und

an diesem fange nun ein Wesen von uns gleichgültiger Art mit konstanter

Kraft zu ziehen an. Dann beginnt der Kasten samt dem Beobachter in

gleichförmig beschleunigtem Fluge nach „oben“ zu fliegen. Seine

Geschwindigkeit wird im Laufe der Zeit ins Phantastische zunehmen —

falls wir all dies beurteilen von einem anderen Bezugskörper aus, an

dem nicht mit einem Stricke gezogen wird.

Wie beurteilt aber der Mann im Kasten den Vorgang? Die Beschleunigung

des Kastens wird vom Boden desselben durch Gegendruck auf ihn

übertragen. Er muß also diesen Druck mittels seiner Beine aufnehmen,

wenn er nicht seiner ganzen Länge nach den Boden berühren will. Er

steht dann im Kasten genau wie einer in einem Zimmer eines Hauses

auf unserer Erde steht. Läßt er einen Körper los, den er vorher in

der Hand hatte, so wird auf diesen die Beschleunigung des Kastens

nicht mehr übertragen; der Körper wird sich daher in beschleunigter

Relativbewegung dem Boden des Kastens nähern. Der Beobachter wird sich

ferner überzeugen, +daß die Beschleunigung des Körpers gegen den Boden

immer gleich groß ist, mit was für einem Körper er auch den Versuch

ausführen mag+.

Der Mann im Kasten wird also, gestützt auf seine Kenntnisse vom

Schwerefelde, wie wir sie im letzten Paragraphen besprochen, zu

dem Ergebnis kommen, daß er samt dem Kasten sich in einem zeitlich

konstanten Schwerefelde befinde. Er wird allerdings einen Augenblick

verwundert sein darüber, daß der Kasten in diesem Schwerefelde nicht

falle. Da entdeckt er aber den Haken in der Mitte der Decke und das an

demselben befestigte gespannte Seil, und er kommt folgerichtig zu dem

Ergebnis, daß der Kasten in dem Schwerefelde ruhend aufgehängt sei.

Dürfen wir über den Mann lächeln und sagen, er befinde sich mit

seiner Auffassung im Irrtum? Ich glaube, wir dürfen das nicht,

wenn wir konsequent bleiben wollen, sondern wir müssen zugeben,

daß seine Auffassungsweise weder gegen die Vernunft noch gegen die

bekannten mechanischen Gesetze verstößt. Wir können den Kasten,

wenn er auch gegen den zuerst betrachteten „+Galilei+schen Raum“

beschleunigt ist, dennoch als ruhend ansehen. Wir haben also guten

Grund, das Relativitätsprinzip auszudehnen auf relativ zueinander

beschleunigte Bezugskörper und haben so ein kräftiges Argument für ein

verallgemeinertes Relativitätspostulat gewonnen.

Man beachte wohl, daß die Möglichkeit dieser Auffassungsweise auf der

fundamentalen Eigenschaft des Schwerefeldes beruht, allen Körpern

dieselbe Beschleunigung zu erteilen, oder, was dasselbe bedeutet, auf

dem Satz von der Gleichheit der trägen und schweren Masse. Würde dies

Naturgesetz nicht bestehen, so würde der Mann im beschleunigten Kasten

das Verhalten der Körper seiner Umgebung nicht durch die Voraussetzung

eines Gravitationsfeldes deuten können, und er wäre auf Grund keiner

Erfahrung berechtigt, seinen Bezugskörper als einen „ruhenden“

vorauszusetzen.

Der Mann im Kasten befestige an der Innenseite der Kastendecke ein

Seil und an dessen freiem Ende einen Körper. Durch diesen wird bewirkt

werden, daß das Seil in gespanntem Zustande „vertikal“ herabhängt. Wir

fragen nach der Ursache der Spannung des Seiles. Der Mann im Kasten

wird sagen: „Der aufgehängte Körper erfährt in dem Schwerefelde eine

Kraft nach unten, welcher durch die Seilspannung das Gleichgewicht

gehalten wird; maßgebend für die Größe der Seilspannung ist die

+schwere Masse+ des aufgehängten Körpers.“ Andererseits wird aber ein

Beurteiler, der frei im Raume schwebt, den Zustand so beurteilen: „Das

Seil ist gezwungen, die beschleunigte Bewegung des Kastens mitzumachen

und überträgt diese auf den daran befestigten Körper. Die Seilspannung

ist so groß, daß sie die Beschleunigung des letzteren gerade zu

bewirken vermag. Maßgebend für die Größe der Spannung im Seile ist die

+träge Masse+ des Körpers.“ Wir sehen aus diesem Beispiele, daß unsere

Erweiterung des Relativitätsprinzips den Satz von der Gleichheit der

trägen und schweren Masse als +notwendig+ erscheinen läßt. Damit ist

eine physikalische Interpretation dieses Satzes gewonnen.

Aus der Betrachtung des beschleunigten Kastens sieht man, daß eine

allgemeine Relativitätstheorie wichtige Ergebnisse über die Gesetze der

Gravitation liefern muß. Tatsächlich hat die konsequente Verfolgung

des allgemeinen Relativitätsgedankens die Gesetze geliefert, denen das

Gravitationsfeld genügt. Ich muß jedoch schon hier den Leser vor einem

Mißverständnis warnen, das durch diese Überlegungen nahegelegt wird.

Für den Mann im Kasten existiert ein Gravitationsfeld, trotzdem für das

zuerst gewählte Koordinatensystem ein solches nicht vorhanden war. Man

könnte nun leicht meinen, daß die Existenz eines Gravitationsfeldes

stets eine nur +scheinbare+ sei. Man könnte denken, daß, was auch

immer für ein Gravitationsfeld vorhanden sein mag, man immer einen

anderen Bezugskörper so wählen könne, daß in bezug auf ihn +kein+

Gravitationsfeld existiert. Dies trifft aber keineswegs für alle

Gravitationsfelder zu, sondern nur für solche von ganz speziellem Bau.

So ist es beispielsweise unmöglich, einen Bezugskörper so zu wählen,

daß von ihm aus beurteilt das Gravitationsfeld der Erde (in seiner

ganzen Ausdehnung) verschwindet.

Wir bemerken jetzt, warum das gegen das allgemeine Relativitätsprinzip

am Ende des § 18 vorgebrachte Argument nicht beweisend ist. Es ist wohl

richtig, daß der im gebremsten Eisenbahnwagen befindliche Beobachter

infolge der Bremsung einen Ruck nach vorn empfindet und daß er daran

die Ungleichförmigkeit (Beschleunigung) des Wagens merkt. Aber niemand

zwingt ihn, den Ruck auf eine „wirkliche“ Beschleunigung des Wagens

zurückzuführen. Er kann sein Erlebnis auch so interpretieren: „Mein

Bezugskörper (der Wagen) bleibt dauernd in Ruhe. Es herrscht aber

(während der Bremsungsperiode) in bezug auf denselben ein nach vorn

gerichtetes, zeitlich veränderliches Schwerefeld. Unter dem Einfluß des

letzteren bewegt sich der Bahndamm samt der Erde ungleichförmig derart,

daß dessen ursprüngliche, nach rückwärts gerichtete Geschwindigkeit

immer mehr abnimmt.“

§ 21. Inwiefern sind die Grundlagen der klassischen Mechanik und der

speziellen Relativitätstheorie unbefriedigend?

Wie schon mehrfach erwähnt, geht die klassische Mechanik von dem

Satze aus: Von anderen materiellen Punkten hinreichend entfernte

materielle Punkte bewegen sich geradlinig gleichförmig oder verharren

im Ruhezustande. Wir haben auch mehrfach hervorgehoben, daß das

Grundgesetz nur gültig sein kann für Bezugskörper _K_ von gewissen

ausgezeichneten Bewegungszuständen, welche relativ zueinander sich

in gleichförmiger Translationsbewegung befinden. Relativ zu anderen

Bezugskörpern _K_ gilt der Satz nicht. Sowohl in der klassischen

Mechanik wie in der speziellen Relativitätstheorie unterscheidet man

demgemäß zwischen Bezugskörpern _K_, relativ zu denen die Naturgesetze

gültig sind, und zwischen Bezugskörpern _K_, relativ zu welchen die

Naturgesetze nicht gelten.

Mit dieser Sachlage kann sich aber kein konsequent denkender

Mensch zufrieden geben. Er fragt: „Wie ist es möglich, daß gewisse

Bezugskörper (bzw. deren Bewegungszustände) vor anderen Bezugskörpern

(bzw. deren Bewegungszuständen) ausgezeichnet sind? +Welches ist der

Grund für diese Bevorzugung?+“ Um deutlich zu zeigen, was ich mit

dieser Frage meine, will ich mich eines Vergleichs bedienen.

Ich stehe vor einem Gasherde. Auf demselben stehen nebeneinander

zwei Kochtöpfe, die einander zum Verwechseln ähnlich sind. Beide

sind zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Ich nehme wahr, daß aus dem

einen unaufhörlich Dampf entweicht, aus dem anderen nicht. Hierüber

wundere ich mich, auch wenn mir ein Gasherd und ein Kochtopf noch nie

zu Gesicht gekommen ist. Nehme ich nun unter dem ersteren Kochtopfe

ein bläulich leuchtendes Etwas wahr, unter dem letzteren nicht,

so schwindet meine Verwunderung auch dann, wenn ich noch nie eine

Gasflamme wahrgenommen habe. Denn ich kann nur sagen, daß dieses

bläuliche Etwas das Entweichen des Dampfes verursachen wird, oder

wenigstens +möglicherweise+ verursacht. Nehme ich aber bei keinem Topfe

das bläuliche Etwas wahr, und sehe ich, daß der eine unaufhörlich

dampft, der andere nicht, so bin ich so lange verwundert und

unbefriedigt, bis ich irgendeinen Umstand wahrgenommen habe, den ich

für das verschiedene Verhalten beider Töpfe verantwortlich machen kann.

Analog suche ich in der klassischen Mechanik (bzw. in der speziellen

Relativitätstheorie) vergeblich nach einem realen Etwas, auf das ich

das verschiedene Verhalten der Körper gegenüber den Bezugssystemen _K_

und _K′_ zurückführen könnte[12]. Diesen Mangel fühlte schon +Newton+

und suchte ihn vergeblich zu entkräften. Am klarsten hat ihn aber E.

+Mach+ erkannt und seinetwegen gefordert, daß die Mechanik auf eine

neue Grundlage gestellt werden müsse. Dieser Einwand läßt sich nur

durch eine Physik vermeiden, welche dem allgemeinen Relativitätsprinzip

entspricht. Denn die Gleichungen einer solchen Theorie gelten für jeden

Bezugskörper, in was für einem Bewegungszustande derselbe auch sein mag.

§ 22. Einige Schlüsse aus dem allgemeinen Relativitätsprinzip.

Die Betrachtungen des § 20 zeigen, daß das allgemeine

Relativitätsprinzip uns in den Stand setzt, auf rein theoretischem

Wege Eigenschaften des Gravitationsfeldes abzuleiten. Es sei nämlich

der raum-zeitliche Verlauf irgendeines Naturvorganges bekannt, so wie

er sich im +Galilei+schen Gebiete relativ zu einem +Galilei+schen

Bezugskörper _K_ abspielt. Dann kann man durch rein theoretische

Operationen, d. h. durch bloße Rechnung, finden, wie sich dieser

bekannte Naturvorgang von einem relativ zu _K_ beschleunigten

Bezugskörper _K′_ aus ausnimmt. Da aber relativ zu diesem neuen

Bezugskörper _K′_ ein Gravitationsfeld existiert, so erfährt man bei

der Betrachtung, wie das Gravitationsfeld den studierten Vorgang

beeinflußt.

So erfahren wir beispielsweise, daß ein Körper, der gegenüber _K_

eine geradlinig gleichförmige Bewegung ausführt (entsprechend dem

+Galilei+schen Satze), gegenüber dem beschleunigten Bezugskörper _K′_

(Kasten) eine beschleunigte, im allgemeinen krummlinige Bewegung

ausführt. Diese Beschleunigung bzw. Krümmung entspricht dem Einfluß

des relativ zu _K′_ herrschenden Gravitationsfeldes auf den bewegten

Körper. Daß das Gravitationsfeld in dieser Weise die Bewegung

der Körper beeinflußt, ist bekannt, so daß die Überlegung nichts

prinzipiell Neues liefert.

Ein neues Ergebnis von fundamentaler Wichtigkeit erhält man aber, wenn

man die entsprechende Überlegung für einen Lichtstrahl durchführt.

Gegenüber dem +Galilei+schen Bezugskörper _K_ pflanzt sich dieser in

gerader Linie mit der Geschwindigkeit _c_ fort. In bezug auf den

beschleunigten Kasten (Bezugskörper _K′_) ist, wie leicht abzuleiten

ist, die Bahn desselben Lichtstrahles keine Gerade mehr. Hieraus

ist zu schließen, +daß sich Lichtstrahlen in Gravitationsfeldern im

allgemeinen krummlinig fortpflanzen+. Dies Ergebnis ist in zweifacher

Hinsicht von großer Wichtigkeit.

Erstens nämlich kann dasselbe mit der Wirklichkeit verglichen werden.

Wenn eine eingehende Überlegung auch ergibt, daß die Krümmung der

Lichtstrahlen, welche die allgemeine Relativitätstheorie liefert, für

die uns in der Erfahrung zur Verfügung stehenden Gravitationsfelder nur

äußerst gering ist, so soll sie für Lichtstrahlen, die in der Nähe der

Sonne vorbeigehen, doch 1,7 Bogensekunden betragen. Dies müßte sich

dadurch äußern, daß die in der Nähe der Sonne erscheinenden Fixsterne,

welche bei totalen Sonnenfinsternissen der Beobachtung zugänglich

sind, um diesen Betrag von der Sonne weggerückt erscheinen müssen

gegenüber der Lage, die sie für uns am Himmel annehmen, wenn die Sonne

an einer anderen Stelle am Himmel steht. Die Prüfung des Zutreffens

oder Nichtzutreffens dieser Konsequenz ist eine Aufgabe von höchster

Wichtigkeit, deren baldige Lösung wir von den Astronomen erhoffen

dürfen.

Zweitens aber zeigt diese Konsequenz, daß nach der allgemeinen

Relativitätstheorie das schon oft erwähnte Gesetz von der Konstanz der

Vakuumlichtgeschwindigkeit, das eine der beiden grundlegenden Annahmen

der speziellen Relativitätstheorie bildet, keine unbegrenzte Gültigkeit

beanspruchen kann. Eine Krümmung der Lichtstrahlen kann nämlich nur

dann eintreten, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes mit

dem Orte variiert. Man könnte nun denken, daß durch diese Konsequenz

die spezielle Relativitätstheorie, und mit ihr die Relativitätstheorie

überhaupt, zu Fall gebracht würde. Dies trifft aber in Wahrheit nicht

zu. Es läßt sich nur schließen, daß die spezielle Relativitätstheorie

kein unbegrenztes Gültigkeitsgebiet beanspruchen kann; ihre Ergebnisse

gelten nur insoweit, als man von den Einflüssen der Gravitationsfelder

auf die Erscheinungen (z. B. des Lichtes) absehen kann.

Da die Gegner der Relativitätstheorie öfters behauptet haben,

die spezielle Relativitätstheorie werde durch die allgemeine

Relativitätstheorie über den Haufen geworfen, will ich den wirklichen

Sachverhalt durch einen Vergleich deutlicher machen. Vor der

Aufstellung der Elektrodynamik wurden die Gesetze der Elektrostatik für

die Gesetze der Elektrizität schlechthin angesehen. Heute wissen wir,

daß die Elektrostatik die elektrischen Felder nur in dem nie streng

realisierten Falle richtig liefern kann, daß die elektrischen Massen

relativ zueinander und zum Koordinatensystem exakt ruhen. Ist deshalb

die Elektrostatik durch +Maxwell+s Feldgleichungen der Elektrodynamik

über den Haufen geworfen worden? Keineswegs! Die Elektrostatik ist als

Grenzfall in der Elektrodynamik enthalten; die Gesetze der letzteren

führen direkt auf die ersteren in dem Falle, daß die Felder zeitlich

unveränderlich sind. Es ist das schönste Los einer physikalischen

Theorie, wenn sie selbst zur Aufstellung einer umfassenden Theorie den

Weg weist, in welcher sie als Grenzfall weiterlebt.

Bei dem eben behandelten Beispiel der Lichtausbreitung haben wir

gesehen, daß das allgemeine Relativitätsprinzip uns in den Stand

setzt, den Einfluß des Gravitationsfeldes auf den Ablauf von Vorgängen

auf theoretischem Wege abzuleiten, deren Gesetze für den Fall des

Fehlens eines Gravitationsfeldes bereits bekannt sind. Die reizvollste

Aufgabe, zu deren Lösung das allgemeine Relativitätsprinzip den

Schlüssel liefert, betrifft aber die Ermittelung der Gesetze, denen das

Gravitationsfeld selbst genügt. Der Sachverhalt ist hier folgender.

Wir kennen raum-zeitliche Gebiete, die sich bei passender Wahl des

Bezugskörpers (annähernd) „galileisch“ verhalten, d. h. Gebiete,

in denen Gravitationsfelder fehlen. Beziehen wir nun ein solches

Gebiet auf einen beliebig bewegten Bezugskörper _K′_, so ist in bezug

auf _K′_ ein zeitlich und räumlich veränderliches Gravitationsfeld

vorhanden[13]. Die Beschaffenheit des letzteren hängt natürlich davon

ab, wie wir die Bewegung von _K′_ wählen. Das allgemeine Gesetz des

Gravitationsfeldes muß nach der allgemeinen Relativitätstheorie für

alle so erhältlichen Gravitationsfelder erfüllt sein. Wenn nun auch

keineswegs alle Gravitationsfelder auf diese Weise erzeugt werden

können, so schöpft man doch Hoffnung, aus diesen Gravitationsfeldern

spezieller Art das allgemeine Gesetz der Gravitation ableiten zu

können. Diese Hoffnung ist aufs schönste in Erfüllung gegangen!

Aber vom klaren Sehen dieses Zieles bis zum tatsächlichen Erreichen

desselben bedurfte es noch der Überwindung einer ernstlichen

Schwierigkeit, die ich dem Leser nicht vorenthalten darf, da sie tief

im Wesen der Sache liegt. Es bedarf einer abermaligen Vertiefung der

Begriffe von dem raum-zeitlichen Kontinuum.

§ 23. Verhalten von Uhren und Maßstäben auf einem rotierenden

Bezugskörper.

Ich habe bis jetzt absichtlich nicht gesprochen über die physikalische

Interpretation von räumlichen und zeitlichen Angaben in dem Falle

der allgemeinen Relativitätstheorie. Dadurch habe ich mich einer

gewissen Unsauberkeit schuldig gemacht, von der wir aus der speziellen

Relativitätstheorie wissen, daß sie keineswegs unwichtig und

verzeihlich ist. Nun ist es hohe Zeit, daß wir diese Lücke ausfüllen;

ich bemerke aber im voraus, daß diese Angelegenheit an die Geduld und

das Abstraktionsvermögen des Lesers keine geringen Anforderungen stellt.

Wir gehen wieder von oft herangezogenen, ganz speziellen Fällen

aus. Es liege ein raum-zeitliches Gebiet vor, in welchem relativ zu

einem Bezugskörper _K_ von passend gewähltem Bewegungszustande kein

Gravitationsfeld existiere; in bezug auf das ins Auge gefaßte Gebiet

ist dann _K_ ein +Galilei+scher Bezugskörper, und es gelten relativ

zu _K_ die Ergebnisse der speziellen Relativitätstheorie. Dasselbe

Gebiet denken wir uns auf einen zweiten Bezugskörper _K′_ bezogen,

welcher relativ zu _K_ gleichförmig rotiert. Um die Vorstellung zu

fixieren, denken wir uns _K′_ in Gestalt einer ebenen Kreisscheibe,

welche um ihren Mittelpunkt in ihrer Ebene gleichmäßig rotiere. Ein

exzentrisch auf der Kreisscheibe _K′_ sitzender Beobachter empfindet

eine Kraft, die in radialer Richtung nach außen wirkt, und welche von

einem relativ zum ursprünglichen Bezugskörper _K_ ruhenden Beobachter

als Trägheitswirkung (Zentrifugalkraft) gedeutet wird. Der auf der

Scheibe sitzende Beobachter möge jedoch seine Scheibe als „ruhenden“

Bezugskörper auffassen; dazu ist er auf Grund des allgemeinen

Relativitätsprinzips berechtigt. Die auf ihn und überhaupt auf relativ

zur Scheibe ruhende Körper wirkende Kraft faßt er als Wirkung eines

Gravitationsfeldes auf. Allerdings ist die räumliche Verteilung

dieses Schwerefeldes eine solche, wie sie nach +Newton+s Theorie der

Gravitation nicht möglich wäre[14]. Aber da der Beobachter an die

allgemeine Relativität glaubt, stört ihn dies nicht; er hofft mit

Recht, daß ein allgemeines Gravitationsgesetz sich aufstellen lasse,

welches nicht nur die Bewegung der Gestirne, sondern auch das von ihm

wahrgenommene Kraftfeld richtig erklärt.

Dieser Beobachter experimentiert auf seiner Kreisscheibe mit Uhren

und Maßstäben, in der Absicht, auf Grund seiner Beobachtungen exakte

Definitionen für die Bedeutung zeitlicher und räumlicher Angaben in

bezug auf die Kreisscheibe _K′_ zu erhalten. Was wird er dabei für

Erfahrungen machen?

Der Beobachter stelle zunächst von zwei gleich beschaffenen Uhren die

eine in dem Mittelpunkte der Kreisscheibe, die andere an der Peripherie

derselben auf, so daß sie relativ zur Kreisscheibe ruhen. Wir fragen

uns zunächst, ob diese beiden Uhren gleich schnell gehen vom Standpunkt

des nicht rotierenden +Galilei+schen Bezugskörpers _K_. Von diesem

aus beurteilt, hat die Uhr im Mittelpunkt keine Geschwindigkeit,

während die Uhr an der Peripherie infolge der Rotation relativ zu

_K_ in Bewegung ist. Nach einem Ergebnis des § 12 geht deshalb die

letztere Uhr von _K_ aus beurteilt dauernd langsamer als die Uhr in

der Mitte der Kreisscheibe. Dasselbe müßte offenbar auch der Mann auf

der Kreisscheibe konstatieren, den wir uns etwa als in der Mitte der

Kreisscheibe neben der dortigen Uhr sitzend vorstellen wollen. Auf

unserer Kreisscheibe und allgemeiner in jedem Gravitationsfelde wird

also eine Uhr rascher oder langsamer laufen, je nach der Stelle, in

welcher die Uhr (ruhend) angeordnet ist. Eine vernünftige Definition

der Zeit mit Hilfe von relativ zum Bezugskörper ruhend angeordneten

Uhren ist also nicht möglich. Eine ähnliche Schwierigkeit zeigt sich,

wenn man versucht, unsere frühere Definition der Gleichzeitigkeit hier

anzuwenden, worauf ich nicht weiter eingehen will.

Aber auch die Definition der räumlichen Koordinaten macht hier zunächst

unüberwindliche Schwierigkeiten. Legt nämlich der Beobachter seinen

Einheitsmaßstab (ein relativ zum Scheibenradius kleines Stäbchen) an

der Scheibenperipherie tangential zu dieser an, so ist derselbe, vom

+Galilei+schen System aus beurteilt, kürzer als 1, weil bewegte Körper

nach § 12 in Richtung der Bewegung eine Verkürzung erfahren. Legt er

dagegen seinen Maßstab in die Richtung des Scheibenradius, so erfährt

er, von _K_ aus beurteilt, keine Verkürzung. Mißt der Beobachter also

zuerst den Scheibenumfang, dann den Scheibendurchmesser mit seinem

Maßstab und dividiert er hierauf diese beiden Meßergebnisse, so findet

er als Quotienten nicht die bekannte Zahl π = 3,14..., sondern eine

größere Zahl, während sich auf einer relativ zu _K_ ruhenden Scheibe

bei dieser Operation natürlich exakt π ergeben müßte. Damit ist bereits

bewiesen, daß die Sätze der Euklidischen Geometrie auf der rotierenden

Scheibe und damit überhaupt in einem Gravitationsfelde nicht genau

gelten können, wenigstens wenn man dem Stäbchen überall und in jeder

Orientierung die Länge 1 zuschreibt. Auch der Begriff der geraden

Linie verliert damit seine Bedeutung. Wir sind deshalb nicht in der

Lage, relativ zur Scheibe die Koordinaten _x_, _y_, _z_ nach der in

der speziellen Relativität benutzten Methode exakt zu definieren.

Solange jedoch Koordinaten und Zeiten der Ereignisse nicht definiert

sind, haben auch Naturgesetze, in welchen diese vorkommen, keine exakte

Bedeutung.

Damit scheinen alle Überlegungen, welche wir bisher über allgemeine

Relativität angestellt haben, in Frage gestellt zu sein. In der Tat

bedarf es eines subtilen Umweges, um das Postulat der allgemeinen

Relativität exakt anzuwenden. Auf diesen wird der Leser durch die

folgenden Betrachtungen vorbereitet werden.

§ 24. Euklidisches und Nicht-Euklidisches Kontinuum.

Die Oberfläche eines Marmortisches liegt vor mir. Ich kann von

irgendeinem Punkte derselben aus zu irgendeinem anderen gelangen,

indem ich eine (große) Anzahl von Malen immer zu einem „benachbarten“

Punkte übergehe, oder — anders gesagt — indem ich von Punkt zu Punkt

gehe, ohne „Sprünge“ zu machen. Was hier unter „benachbart“ und unter

„Sprüngen“ zu verstehen ist, empfindet der Leser gewiß mit genügender

Schärfe (wenn er nicht gar zu anspruchsvoll ist). Dies drücken wir aus,

indem wir sagen, die Oberfläche sei ein Kontinuum.

Wir denken uns nun eine große Zahl gegen die Abmessungen der

Tischplatte kleiner Stäbchen hergestellt, die alle gleich lang seien.

Darunter ist verstanden, daß die Enden je zweier davon zur Deckung

gebracht werden können. Wir legen nun vier dieser Stäbchen auf der

Tischplatte so aufeinander, daß ihre Enden ein Viereck bilden,

dessen Diagonalen gleich lang seien (Quadrat). Zur Erzielung der

Diagonalengleichheit bedienen wir uns eines Probierstäbchens. An dies

Quadrat legen wir gleiche Quadrate an, welche mit ihm ein Stäbchen

gemein haben, an diese letzteren Quadrate ebenfalls usw. Schließlich

ist die ganze Tischplatte mit Quadraten belegt, derart, daß jede

Quadratseite zu zwei Quadraten und jede Quadratecke zu vier Quadraten

gehört.

Daß man dies Geschäft ausführen kann, ohne in die größten

Schwierigkeiten zu geraten, ist ein wahres Wunder! Man braucht nur

an folgendes zu denken. Stoßen an einer Ecke bereits drei Quadrate

zusammen, so sind auch von dem vierten bereits zwei Seiten gelegt. Wie

die beiden anderen Seiten desselben gelegt werden müssen, ist dadurch

schon vollkommen bestimmt. Jetzt kann ich das Viereck aber nicht mehr

zurechtrücken, damit seine Diagonalen gleich werden. Sind sie es von

selbst schon, so ist dies eine besondere Gunst der Tischplatte und der

Stäbchen, über die ich mich nur dankbar wundern kann! Analoger Wunder

müssen wir viele erleben, wenn die Konstruktion gelingen soll.

Ist wirklich alles glatt vonstatten gegangen, so sage ich, daß die

Punkte der Tischplatte ein Euklidisches Kontinuum mit Bezug auf das

benutzte Stäbchen als Strecke bilden. Hebe ich eine Quadratecke als

„Anfangspunkt“ hervor, so kann ich jede andere Quadratecke mit Bezug

auf den Anfangspunkt durch zwei Zahlen charakterisieren. Ich brauche

nur anzugeben, wie viele Stäbchen ich nach „rechts“ und wie viele

darauf nach „oben“ ich vom Anfangspunkte zurücklegen muß, um zu der ins

Auge gefaßten Quadratecke zu gelangen. Diese zwei Zahlen sind dann die

„Kartesischen Koordinaten“ der letzteren mit Bezug auf das durch die

gelegten Stäbchen bestimmte „Kartesische Koordinatensystem“.

Daß es auch Fälle geben muß, in denen das Experiment mißlingt, erkennen

wir an folgender Modifikation des Gedankenexperiments. Die Stäbchen

sollen sich nach Maßgabe der Temperatur „ausdehnen“. Die Tischplatte

werde in der Mitte erwärmt, am Rande aber nicht, wobei zwei unserer

Stäbchen immer noch an jeder Stelle des Tisches zur Deckung gebracht

werden können. Aber unsere Quadratkonstruktion muß dabei notwendig

in Unordnung kommen, weil sich die Stäbchen der inneren Partie der

Tischplatte ausdehnen, die der äußeren Partie aber nicht.

Mit Bezug auf unsere Stäbchen — als Einheitsstrecken definiert — ist

die Tischplatte nun kein Euklidisches Kontinuum mehr, und wir sind

auch nicht mehr in der Lage, unmittelbar mit ihrer Hilfe Kartesische

Koordinaten zu definieren, da die obige Konstruktion sich nicht mehr

durchführen läßt. Da es aber andere Dinge gibt, welche durch die

Temperatur des Tisches nicht in analoger Weise wie die Stäbchen (oder

überhaupt nicht) beeinflußt werden, gelingt es, in einer natürlichen

Weise die Auffassung aufrecht zu erhalten, daß die Tischplatte ein

„Euklidisches Kontinuum“ sei; es gelingt in befriedigender Weise

durch eine subtilere Festsetzung über das Messen bzw. Vergleichen von

Strecken.

Würden aber Stäbchen jeder Art, d. h. jeden Materials, sich in

+gleicher+ Weise temperaturempfindlich verhalten auf der verschieden

temperierten Tischplatte, und hätten wir kein anderes Mittel, die

Wirkung der Temperatur wahrzunehmen, als das geometrische Verhalten

der Stäbchen bei Experimenten analog dem oben beschriebenen, so könnte

es wohl zweckmäßig sein, zwei Punkten des Tisches die Entfernung

1 zuzuschreiben, wenn sich die Enden eines unserer Stäbchen mit

ihnen zur Deckung bringen lassen; denn wie sollte man ohne die

krasseste Willkür die Strecke anders definieren? Dann aber muß die

Kartesische Koordinatenmethode verlassen und durch eine andere

ersetzt werden, welche die Gültigkeit der Euklidischen Geometrie für

starre Körper nicht voraussetzt[15]. Der Leser bemerkt, daß die hier

geschilderte Situation derjenigen entspricht, welche das allgemeine

Relativitätspostulat mit sich gebracht hat (§ 23).

§ 25. Gaußsche Koordinaten.

[Illustration: Fig. 3.]

Diese analytisch-geometrische Behandlungsweise läßt sich nach +Gauß+

folgendermaßen erzielen. Man denke sich auf die Tischplatte ein

System von beliebigen Kurven (vgl. Fig. 3) aufgezeichnet, die wir als

_u_-Kurven bezeichnen und die wir je mit einer Zahl bezeichnen. In der

Zeichnung sind die Kurven _u_ = 1, _u_ = 2 und _u_ = 3 gezeichnet.

Zwischen den Kurven _u_ = 1 und _u_ = 2 sind aber noch unendlich viele

eingezeichnet zu denken, welche allen reellen Zahlen entsprechen,

die zwischen 1 und 2 liegen. Es liegt dann ein System von _u_-Kurven

vor, welche unendlich dicht die ganze Tischplatte überdecken. Keine

_u_-Kurve soll eine andere schneiden, sondern durch jeden Punkt der

Tischplatte eine und nur eine Kurve hindurchgehen. Zu jedem Punkte der

Oberfläche der Tischplatte gehört dann ein ganz bestimmter _u_-Wert.

Ebenso sei auf die Fläche ein System von _v_ Kurven gezeichnet, die

denselben Bedingungen genügen, in entsprechender Weise mit Zahlen

versehen sind, aber ebenfalls beliebig gestaltet sein können. Es gehört

dann zu jedem Punkte der Tischplatte ein _u_-Wert und ein _v_-Wert,

welche beiden Zahlen wir die Koordinaten der Tischplatte nennen

(+Gauß+sche Koordinaten). Der Punkt _P_ der Figur hat beispielsweise

die +Gauß+schen Koordinaten _u_ = 3; _v_ = 1. Zwei benachbarten Punkten

_P_ und _P′_ auf der Fläche entsprechen dann die Koordinaten

_P: u; v_

_P′: u + du, v + dv_,

wobei _du_ und _dv_ sehr kleine Zahlen bedeuten. Der mit einem Stäbchen

gemessene Abstand von _P_ und _P′_ sei die ebenfalls sehr kleine Zahl

_ds_. Dann ist nach +Gauß+:

_ds²_ = _g₁₁ du²_ + _2g₁₂ du dv_ + _g₂₂ dv²_,

wobei _g₁₁_, _g₁₂_, _g₂₂_ Größen sind, die in ganz bestimmter Weise

von _u_ und _v_ abhängen. Die Größen _g₁₁_, _g₁₂_ und _g₂₂_ bestimmen

das Verhalten der Stäbchen relativ zu den _u_-Kurven und _v_-Kurven,

also auch relativ zur Oberfläche des Tisches. In dem Falle, daß die

Punkte der betrachteten Oberfläche in bezug auf die Meßstäbchen ein

Euklidisches Kontinuum bilden, aber auch nur dann, ist es möglich, die

_u_-Kurven und _v_-Kurven so zu zeichnen und mit Zahlen zu versehen,

daß einfach

ds² = du² + dv²

wird. Dann sind die _u_-Kurven und _v_-Kurven gerade Linien im Sinne

der Euklidischen Geometrie, welche aufeinander senkrecht stehen. Dann

sind die +Gauß+schen Koordinaten einfach Kartesische. Man sieht, daß

die +Gauß+schen Koordinaten weiter nichts sind als eine Zuordnung je

zweier Zahlen zu den Punkten der betrachteten Fläche, derart, daß

räumlich benachbarten Punkten sehr wenig verschiedene Zahlenwerte

zugeordnet sind.

Diese Betrachtungen gelten zunächst für ein Kontinuum von zwei

Dimensionen. Aber die +Gauß+sche Methode läßt sich auch auf ein

Kontinuum von drei, vier oder mehr Dimensionen anwenden. Liegt z. B.

ein Kontinuum von vier Dimensionen vor, so ergibt sich folgende

Darstellung. Jedem Punkte des Kontinuums werden willkürlich vier Zahlen

_x₁_, _x₂_, _x₃_, _x₄_ zugeordnet, welche „Koordinaten“ genannt werden.

Benachbarten Punkten entsprechen benachbarte Koordinatenwerte. Ist nun

benachbarten Punkten _P_ und _P′_ ein durch Messungen ermittelbarer,

physikalisch wohldefinierter Abstand _ds_ zugeordnet, so gilt eine

Formel:

_ds²_ = _g₁₁ dx₁²_ + _2 g₁₂ dx₁ dx₂_ ... + _g₄₄ dx₄²_ ,

wobei die Größen g₁₁ usw. Werte haben, die mit dem Orte im Kontinuum

variieren. Nur in dem Falle, daß das Kontinuum ein Euklidisches ist,

ist es möglich, die Koordinaten _x₁_···_x₄_ den Punkten des

Kontinuums so zuzuordnen, daß einfach

_ds²_ = _dx₁²_ + _dx₂²_ + _dx₃²_ + _dx₄²_

wird. Dann gelten in dem vierdimensionalen Kontinuum Beziehungen,

welche den in unseren dreidimensionalen Messungen geltenden analog sind.

Die angegebene +Gauß+sche Darstellung für _ds²_ ist übrigens nicht

immer möglich, sondern nur dann, wenn genügend kleine Gebiete des

betrachteten Kontinuums sich als Euklidische Kontinua ansehen

lassen. Dies trifft z. B. offenbar zu in dem Falle der Tischplatte

und örtlich veränderlicher Temperatur. Denn für einen kleinen Teil

der Platte ist die Temperatur praktisch konstant, das geometrische

Verhalten der Stäbchen also +beinahe+ ein solches, wie es gemäß den

Regeln der Euklidischen Geometrie sein soll. Die Unstimmigkeiten der

Quadratkonstruktion des vorigen Paragraphen treten somit erst deutlich

zutage, wenn die Konstruktion des vorigen Paragraphen über einen

beträchtlichen Teil der Tischplatte ausgedehnt wird.

Zusammenfassend können wir also sagen: +Gauß+ hat eine Methode zur

mathematischen Behandlung beliebiger Kontinua erfunden, in denen

Maßbeziehungen („Abstand“ benachbarter Punkte) definiert sind. Jedem

Punkte des Kontinuums werden so viel Zahlen (+Gauß+sche Koordinaten)

zugeordnet, als das Kontinuum Dimensionen hat. Die Zuordnung erfolgt

so, daß die Eindeutigkeit der Zuordnung gewahrt wird, und daß

benachbarten Punkten unendlich wenig verschiedene Zahlen (+Gauß+sche

Koordinaten) zugeordnet werden. Das +Gauß+sche Koordinatensystem ist

eine logische Verallgemeinerung des Kartesischen Koordinatensystems.

Es ist auch auf Nicht-Euklidische Kontinua anwendbar, allerdings nur

dann, wenn kleine Teile des betrachteten Kontinuums mit Bezug auf

das definierte Maß („Abstand“) sich mit desto größerer Annäherung

Euklidisch verhalten, je kleiner der ins Auge gefaßte Teil des

Kontinuums ist.

§ 26. Das raum-zeitliche Kontinuum der speziellen Relativitätstheorie

als Euklidisches Kontinuum.

Wir sind nun in der Lage, den in § 17 nur lose angedeuteten Gedanken

+Minkowski+s etwas genauer zu formulieren. Gemäß der speziellen

Relativitätstheorie sind für die Beschreibung des raum-zeitlichen,

vierdimensionalen Kontinuums gewisse Koordinatensysteme bevorzugt, die

wir „+Galilei+sche Koordinatensysteme“ genannt haben. Für sie sind die

vier Koordinaten _x_, _y_, _z_, _t_, welche ein Ereignis oder — anders

ausgedrückt — einen Punkt des vierdimensionalen Kontinuums bestimmen,

in einfacher Weise physikalisch definiert, wie im ersten Teile dieses

Büchleins ausführlich dargelegt ist. Für den Übergang von einem

+Galilei+schen System zu einem anderen, relativ zum ersten gleichförmig

bewegten gelten die Gleichungen der Lorentz-Transformation, welche

die Basis für die Ableitung der Konsequenzen der speziellen

Relativitätstheorie bilden und ihrerseits weiter nichts sind als der

Ausdruck der universellen Gültigkeit des Lichtausbreitungsgesetzes für

alle +Galilei+schen Bezugssysteme.

+Minkowski+ fand, daß die Lorentz-Transformationen folgenden einfachen

Bedingungen genügen. Es seien zwei benachbarte Ereignisse betrachtet,

deren gegenseitige Lage im vierdimensionalen Kontinuum durch die

räumlichen Koordinatendifferenzen _dx_, _dy_, _dz_ und die zeitliche

Differenz _dt_ bezüglich eines +Galilei+schen Bezugskörpers _K_ gegeben

seien. Bezüglich eines zweiten +Galilei+schen Systems seien die

analogen Differenzen für diese beiden Ereignisse _dx′_, _dy′_, _dz′_,

_dt′_. Dann gilt zwischen ihnen stets die Bedingung:

_dx²_ + _dy²_ + _dz²_ − _c²_ _dt²_ = _dx′²_ + _dy′²_ + _dz′²_ −

_c²_ _dt′²_.

Diese Bedingung hat die Gültigkeit der Lorentz-Transformation zur

Konsequenz. Wir können das so aussprechen: Die zu zwei benachbarten

Punkten des vierdimensionalen raum-zeitlichen Kontinuums gehörige Größe

_ds²_ = _dx²_ + _dy²_ + _dz²_ − _c²_ _dt²_

hat für alle bevorzugten (+Galilei+schen) Bezugskörper denselben Wert.

Ersetzt man _x_, _y_, _z_, sqrt(−1) _ct_ durch _x₁_, _x₂_, _x₃_, _x₄_,

so erhält man auch das Resultat, daß

_ds²_ = _dx₁²_ + _dx₂²_ + _dx₃²_ + _dx₄²_

von der Wahl des Bezugskörpers unabhängig ist. Die Größe _ds_ nennen

wir den „Abstand“ der beiden Ereignisse oder vierdimensionalen Punkte.

Wählt man also die imaginäre Variable sqrt(−1) _ct_ statt des reellen

_t_ als Zeitvariable, so kann man das raum-zeitliche Kontinuum

gemäß der speziellen Relativitätstheorie als ein „Euklidisches“

vierdimensionales Kontinuum auffassen, wie aus den Darlegungen des

letzten Paragraphen hervorgeht.

§ 27. Das raum-zeitliche Kontinuum der allgemeinen Relativitätstheorie

ist kein Euklidisches Kontinuum.

Im ersten Teil dieses Schriftchens haben wir uns raum-zeitlicher

Koordinaten bedienen können, welche eine einfache, direkte

physikalische Interpretation zuließen und welche sich nach §

26 als vierdimensionale Kartesische Koordinaten deuten lassen.

Dies war möglich auf Grund des Gesetzes von der Konstanz der

Lichtgeschwindigkeit, an welchem aber nach § 21 die allgemeine

Relativitätstheorie nicht festhalten kann; wir kamen vielmehr zu

dem Ergebnis, daß gemäß letzterer Theorie die Lichtgeschwindigkeit

stets von den Koordinaten abhängen muß, falls ein Gravitationsfeld

vorhanden ist. Wir fanden ferner in § 23 an einem speziellen Beispiel,

daß das Vorhandensein eines Gravitationsfeldes jene Definition der

Koordinaten und der Zeit unmöglich macht, welche bei der speziellen

Relativitätstheorie zum Ziele geführt hat.

Mit Rücksicht auf diese Überlegungsergebnisse kommen wir zu der

Überzeugung, daß gemäß dem allgemeinen Relativitätsprinzip das

raum-zeitliche Kontinuum nicht als ein Euklidisches aufgefaßt werden

kann, sondern daß hier der allgemeine Fall vorliegt, welchen wir für

das zweidimensionale Kontinuum der Tischplatte von örtlich variabler

Temperatur kennen gelernt haben. Wie es dort unmöglich war, aus

gleichen Stäbchen ein Kartesisches Koordinatensystem zu konstruieren,

so ist es hier unmöglich, aus starren Körpern und Uhren ein System

(Bezugskörper) aufzubauen, derart, daß relativ zueinander fest

angeordnete Maßstäbe und Uhren direkt Ort und Zeit anzeigen. Dies ist

das Wesen der Schwierigkeit, die uns in § 23 entgegentrat.

Die Darlegungen des § 25 und § 26 zeigen aber den Weg, auf dem diese

Schwierigkeit zu überwinden ist. Wir beziehen das vierdimensionale

raum-zeitliche Kontinuum in willkürlicher Weise auf +Gauß+sche

Koordinaten. Jedem Punkte des Kontinuums (Ereignis) ordnen wir

vier Zahlen _x₁_, _x₂_, _x₃_, _x₄_ (Koordinaten) zu, die gar keine

unmittelbare physikalische Bedeutung besitzen, sondern nur dazu

dienen, die Punkte des Kontinuums in bestimmter, aber willkürlicher

Weise zu numerieren. Solche Koordinaten legen wir der Beschreibung der

physikalischen Vorgänge zugrunde. Bei dieser Zuordnung ist zwischen

„räumlicher“ und „zeitlicher“ Ausdehnung nicht unterschieden, so daß

man nicht mehr die Koordinaten _x₁_, _x₂_, _x₃_ als „räumliche“, die

Koordinaten _x₄_ als „zeitliche“ unterscheiden kann.

Der Leser könnte denken, daß eine derartige Beschreibung der Welt

gänzlich unzulänglich wäre. Was bedeutet es, wenn ich einem Ereignis

die bestimmten Koordinaten _x₁_, _x₂_, _x₃_, _x₄_ zuschreibe, wenn

diese Koordinaten selbst nichts bedeuten? Bei genauerer Überlegung

zeigt sich jedoch, daß diese Sorge nicht begründet ist. Betrachten

wir z. B. einen beliebig bewegten materiellen Punkt! Hätte derselbe

nur eine momentane Existenz ohne Dauer, so wäre er raum-zeitlich

beschrieben durch ein einziges Wertsystem _x₁_, _x₂_, _x₃_, _x₄_.

Seine bleibende Existenz ist also durch eine unendlich große Zahl

von solchen Wertsystemen charakterisiert, deren Koordinatenwerte

sich stetig aneinanderreihen; dem Massenpunkte entspricht also eine

(eindimensionale) Linie im vierdimensionalen Kontinuum. Vielen bewegten

Punkten entsprechen ebensowohl derartige Linien in unserem Kontinuum.

Die einzigen diese Punkte betreffenden Aussagen, welche physikalische

Realität beanspruchen können, sind in Wahrheit die Aussagen über

Begegnungen dieser Punkte. Eine solche Begegnung äußert sich in unserer

mathematischen Darstellung darin, daß die beiden Linien, welche die

betreffenden Punktbewegungen darstellen, ein gewisses System _x₁_,

_x₂_, _x₃_, _x₄_ von Koordinatenwerten gemeinsam haben. Daß solche

Begegnungen in Wahrheit die einzigen tatsächlichen Konstatierungen

zeit-räumlichen Charakters sind, die wir in physikalischen Aussagen

antreffen, wird der Leser nach eingehender Überlegung ohne Zweifel

zugeben.

Wenn wir früher die Bewegung eines materiellen Punktes relativ zu

einem Bezugskörper beschrieben, gaben wir nichts weiter an, als die

Begegnungen dieses Punktes mit bestimmten Punkten des Bezugskörpers.

Auch die zugehörigen Zeitangaben lassen sich auflösen in die

Konstatierung von Begegnungen des Körpers mit Uhren, in Verbindung mit

Konstatierung der Begegnung von Uhrzeigern mit bestimmten Punkten von

Zifferblättern. Nicht anders ist es mit den räumlichen Messungen durch

Maßstäbe, wie einiges Nachdenken zeigt.

Allgemein gilt: „Jede physikalische Beschreibung löst sich auf in eine

Zahl von Aussagen, deren jede sich auf die raum-zeitliche Koinzidenz

zweier Ereignisse A und B bezieht. Jede solche Aussage drückt sich in

+Gauß+schen Koordinaten durch die Übereinstimmung der vier Koordinaten

_x₁_, _x₂_, _x₃_, _x₄_ aus.“ Die Beschreibung des zeit-räumlichen

Kontinuums durch +Gauß+sche Koordinaten ersetzt also tatsächlich die

Beschreibung mit Hilfe eines Bezugskörpers vollständig, ohne an den

Mängeln der letzteren Beschreibungsmethode zu kranken; sie ist nicht an

den Euklidischen Charakter des darzustellenden Kontinuums gebunden.

§ 28. Exakte Formulierung des allgemeinen Relativitätsprinzips.

Nun sind wir in der Lage, die in § 18 gegebene vorläufige Formulierung

des allgemeinen Relativitätsprinzips durch eine exakte zu ersetzen.

Die damalige Fassung, „Alle Bezugskörper _K_, _K′_ usw. sind für

die Naturbeschreibung (Formulierung der allgemeinen Naturgesetze)

gleichwertig, welches auch deren Bewegungszustand sein mag“, läßt sich

nicht aufrecht erhalten, weil die Benutzung von starren Bezugskörpern

bei der raum-zeitlichen Beschreibung im Sinne der bei der speziellen

Relativitätstheorie befolgten Methode im allgemeinen nicht möglich ist.

An die Stelle des Bezugskörpers hat das +Gauß+sche Koordinatensystem

zu treten. Dem Grundgedanken des allgemeinen Relativitätsprinzips

entspricht die Aussage: „+Alle Gaußschen Koordinatensysteme sind

für die Formulierung der allgemeinen Naturgesetze prinzipiell

gleichwertig.+“

Man kann dies allgemeine Relativitätsprinzip auch noch in einer anderen

Form aussprechen, die dasselbe noch deutlicher als die naturgemäße

Erweiterung des speziellen Relativitätsprinzips erkennen läßt. Nach der

speziellen Relativitätstheorie gehen die die allgemeinen Naturgesetze

ausdrückenden Gleichungen in Gleichungen derselben Form über, wenn man

statt der Raum-Zeit-Variabeln _x_, _y_, _z_, _t_ eines (+Galilei+schen)

Bezugskörpers _K_ unter Benutzung der Lorentz-Transformation die

Raum-Zeit-Variabeln _x′_, _y′_, _z′_, _t′_ eines neuen Bezugskörpers

_K′_ einführt. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie dagegen

müssen die Gleichungen bei Anwendung +beliebiger Substitutionen+

der +Gauß+schen Variabeln _x₁_, _x₂_, _x₃_, _x₄_ in Gleichungen

derselben Form übergehen; denn jede Transformation (nicht nur die

Lorentz-Transformation) entspricht dem Übergang eines +Gauß+schen

Koordinatensystems in ein anderes.

Will man auf die gewohnte dreidimensionale Anschauung nicht

verzichten, so kann man die Entwicklung, welche wir den Grundgedanken

der allgemeinen Relativitätstheorie durchmachen sehen, wie folgt

charakterisieren: Die spezielle Relativitätstheorie bezieht sich

auf +Galilei+sche Gebiete, d. h. auf solche, in welchen kein

Gravitationsfeld existiert. Als Bezugskörper dient dabei ein

+Galilei+scher Bezugskörper, d. h. ein starrer Körper von so gewähltem

Bewegungszustande, daß relativ zu ihm der +Galilei+sche Satz von der

gleichförmig-geradlinigen Bewegung „isolierter“ materieller Punkte gilt.

Gewisse Überlegungen legen es nahe, dieselben +Galilei+schen Gebiete

auch auf Nicht-+Galilei+sche Bezugskörper zu beziehen. Relativ zu

diesen ist dann ein Gravitationsfeld von spezieller Art vorhanden (§ 20

und § 23).

Starre Körper mit Euklidischen Eigenschaften gibt es aber in

Gravitationsfeldern nicht; die Fiktion des starren Bezugskörpers

versagt daher in der allgemeinen Relativitätstheorie. Auch wird der

Gang der Uhren von Gravitationsfeldern beeinflußt, derart, daß eine

physikalische Zeitdefinition direkt mit Hilfe von Uhren durchaus nicht

jenen Grad der Evidenz hat wie in der speziellen Relativitätstheorie.

Man benutzt daher nichtstarre Bezugskörper, welche nicht nur als

Ganzes beliebig bewegt sind, sondern auch während ihrer Bewegung

beliebige Gestaltsänderungen erleiden. Zur Definition der Zeit dienen

Uhren von beliebigem, noch so unregelmäßigem Ganggesetz, welche man

sich je an einem Punkte des nichtstarren Bezugskörpers befestigt

zu denken hat, und welche nur die eine Bedingung erfüllen, daß

die gleichzeitig wahrnehmbaren Angaben örtlich benachbarter Uhren

unendlich wenig voneinander abweichen. Dieser nichtstarre Bezugskörper,

den man nicht mit Unrecht als „Bezugsmolluske“ bezeichnen könnte,

ist im wesentlichen gleichwertig mit einem beliebigen +Gauß+schen

vierdimensionalen Koordinatensystem. Was der „Molluske“ gegenüber dem

+Gauß+schen Koordinatensystem eine gewisse Anschaulichkeit gibt, ist

die (eigentlich unberechtigte) formale Wahrung der Sonderexistenz der

räumlichen Koordinaten gegenüber der Zeitkoordinate. Jeder Punkt der

Molluske wird als Raumpunkt behandelt, jeder relativ zu ihm ruhende

materielle Punkt schlechthin als ruhend, solange die Molluske als

Bezugskörper behandelt wird. Das allgemeine Relativitätsprinzip

fordert, daß alle diese Mollusken mit gleichem Rechte und gleichem

Erfolge bei der Formulierung der allgemeinen Naturgesetze als

Bezugskörper verwendet werden können; die Gesetze sollen von der

Molluskenwahl gänzlich unabhängig sein.

In der weitgehenden Beschränkung, welche hierdurch den Naturgesetzen

auferlegt wird, liegt die Spürkraft, die dem allgemeinen

Relativitätsprinzip innewohnt.

§ 29. Die Lösung des Gravitationsproblems auf Grund des allgemeinen

Relativitätsprinzips.

Ist der Leser allen bisherigen Überlegungen gefolgt, so bereitet

ihm das Verstehen der zur Lösung des Gravitationsproblems führenden

Methoden keine Schwierigkeiten mehr.

Wir gehen aus von der Betrachtung eines +Galilei+schen Gebietes, d. h.

eines solchen, in welchem relativ zum +Galilei+schen Bezugskörper _K_

kein Gravitationsfeld existiert. Das Verhalten von Maßstäben und Uhren

in bezug auf _K_ ist aus der speziellen Relativitätstheorie bekannt,

ebenso das Verhalten von „isolierten“ Massepunkten; letztere bewegen

sich geradlinig und gleichförmig.

Nun beziehen wir dies Gebiet auf ein beliebiges +Gauß+sches

Koordinatensystem bzw. auf eine „Molluske“ als Bezugskörper _K′_.

In bezug auf _K′_ besteht dann ein Gravitationsfeld _G_ (besonderer

Art). Durch bloße Umrechnung erfährt man dann das Verhalten von

Maßstäben und Uhren sowie von frei beweglichen materiellen Punkten in

bezug auf _K′_. Dies Verhalten interpretiert man als das Verhalten

von Maßstäben, Uhren, materiellen Punkten unter der Wirkung des

Gravitationsfeldes _G_. Man führt hierauf die Hypothese ein, daß

die Einwirkung des Gravitationsfeldes auf Maßstäbe, Uhren und frei

bewegliche, materielle Punkte auch dann nach denselben Gesetzen vor

sich gehe, wenn sich das herrschende Gravitationsfeld +nicht+ durch

bloße Koordinatentransformation aus dem +Galilei+schen Spezialfall

ableiten läßt.

Hierauf untersucht man das raum-zeitliche Verhalten des aus dem

+Galilei+schen Spezialfall durch bloße Transformation der Koordinaten

abgeleiteten Gravitationsfeldes _G_ und formuliert dies Verhalten

durch ein Gesetz, das immer gültig ist, wie auch der zur Beschreibung

benutzte Bezugskörper (Molluske) gewählt werden mag.

Dies Gesetz ist noch nicht das +allgemeine+ Gesetz des

Gravitationsfeldes, da das studierte Gravitationsfeld _G_ von

spezieller Art ist. Zur Auffindung des allgemeinen Feldgesetzes der

Gravitation bedarf es noch einer Verallgemeinerung des so gewonnenen

Gesetzes, welche jedoch ohne Willkür aufgefunden werden kann, unter

Berücksichtigung der folgenden Forderungen:

a) Die gesuchte Verallgemeinerung muß ebenfalls dem allgemeinen

Relativitätspostulat genügen.

b) Ist Materie in dem betrachteten Gebiete vorhanden, so ist für

deren felderregende Wirkung allein deren träge Masse, also gemäß § 15

allein deren Energie maßgebend.

c) Gravitationsfeld und Materie zusammen müssen dem Gesetz von der

Erhaltung der Energie (und des Impulses) genügen.

Endlich erlaubt uns das allgemeine Relativitätsprinzip, den Einfluß

des Gravitationsfeldes auf den Ablauf aller derjenigen Vorgänge zu

ermitteln, die für den Fall des Fehlens eines Gravitationsfeldes

nach bekannten Gesetzen ablaufen, d. h. in den Rahmen der speziellen

Relativitätstheorie bereits eingefügt sind. Man verfährt dabei im

Prinzip nach der Methode, die vorhin für Maßstäbe, Uhren und frei

bewegliche Massenpunkte auseinandergesetzt worden ist.

Die so aus dem allgemeinen Relativitätspostulat abgeleitete

Gravitationstheorie zeichnet sich nicht nur durch ihre Schönheit aus,

sie beseitigt nicht nur den in § 21 beleuchteten Mangel, welcher

der klassischen Mechanik anhaftet, sie interpretiert nicht nur das

Erfahrungsgesetz von der Gleichheit der trägen und schweren Masse,

sondern sie hat auch schon ein Beobachtungsergebnis der Astronomie

erklärt, dem gegenüber die klassische Mechanik versagt.

Spezialisiert man sie nämlich auf den Fall, daß die Gravitationsfelder

als schwach anzusehen sind, und daß alle Massen sich mit

Geschwindigkeiten gegen das Koordinatensystem bewegen, welche gegen

die Lichtgeschwindigkeit klein sind, so erhält man zunächst die

+Newton+sche Theorie als erste Näherung; letztere ergibt sich also

hier ohne besondere Annahme, während +Newton+ die dem Quadrat der

Distanz aufeinander wirkender Massenpunkte indirekt proportionale

Anziehungskraft als Hypothese einführen mußte. Vergrößert man die

Genauigkeit der Rechnung, so treten Abweichungen von der +Newton+schen

Theorie auf, die sich allerdings wegen ihrer Kleinheit fast alle noch

der Beobachtung entziehen müssen.

Eine dieser Abweichungen müssen wir hier speziell ins Auge fassen.

Nach der +Newton+schen Theorie bewegt sich ein Planet um die Sonne

in einer Ellipse, welche gegenüber den Fixsternen ihre Lage ewig

beibehalten würde, wenn von der Einwirkung der anderen Planeten auf den

betrachteten Planeten und von der Eigenbewegung der Fixsterne abgesehen

werden könnte. Korrigiert man daher die beobachtete Bewegung der

Planeten auf diese beiden Einflüsse, so soll als Bahn des Planeten eine

gegen die Fixsterne feste Ellipse resultieren, wenn +Newton+s Theorie

genau richtig ist. Bei allen Planeten, bis auf den der Sonne nächsten

Planeten Merkur, hat sich diese mit eminenter Genauigkeit prüfbare

Konsequenz mit der Genauigkeit bestätigt, welche die heute erreichbare

Beobachtungsschärfe zu erzielen gestattet. Vom Planeten Merkur aber

wissen wir seit +Leverrier+, daß die Ellipse seiner im obigen Sinne

korrigierten Bahn gegenüber den Fixsternen nicht feststeht, sondern,

wenn auch ungeheuer langsam, in der Ebene der Bahn im Sinne der

Umlaufbewegung rotiert. Für diese Rotationsbewegung der Bahnellipse

ergab sich ein Betrag von 43 Bogen-Sekunden pro Jahrhundert, welcher

Betrag bis auf wenige Bogen-Sekunden sichergestellt ist. Die Erklärung

dieser Erscheinung nach der klassischen Mechanik gelingt nur unter

Zugrundelegung von ausschließlich ihrethalben ersonnenen, wenig

wahrscheinlichen Hypothesen.

Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ergibt sich, daß jede

Planetenellipse um die Sonne in der oben angegebenen Weise notwendig

rotieren muß, daß diese Rotation bei allen Planeten außer Merkur

zu klein ist, um bei der heute erzielbaren Beobachtungsgenauigkeit

festgestellt zu werden, daß sie aber bei Merkur 43 Bogen-Sekunden pro

Jahrhundert betragen muß, genau wie es die Beobachtung verlangt.

Außerdem haben aus der Theorie bisher nur zwei Konsequenzen gezogen

werden können, die sich nicht wegen ihrer Kleinheit der Beobachtung

entziehen müssen, nämlich die Krümmung der Lichtstrahlen durch das

Gravitationsfeld der Sonne und eine Spektralverschiebung des von

großen Sternen zu uns gesandten Lichtes gegenüber dem auf der Erde

in entsprechender Weise (d. h. durch dieselbe Molekülart) erzeugten

Lichte. Ich zweifle nicht daran, daß auch diese Konsequenzen der

Theorie ihre Bestätigung finden werden.

[12] Der Einwand ist besonders dann von Gewicht, wenn der

Bewegungszustand des Bezugskörpers ein solcher ist, daß er zu

seiner Aufrechterhaltung keiner äußeren Einwirkung bedarf, z. B.

in dem Falle, daß der Bezugskörper gleichmäßig rotiert.

[13] Dies folgt durch Verallgemeinerung der Betrachtung des § 20.

[14] Das Feld verschwindet im Mittelpunkt der Scheibe und nimmt

proportional dem Abstand von diesem nach außen hin zu.

[15] Unser Problem ist den Mathematikern in folgender Form

entgegengetreten. Ist im Euklidischen, dreidimensionalen

Meßraume eine Fläche, z. B. ein Ellipsoid, gegeben, so gibt es

auf dieser Fläche eine zweidimensionale Geometrie, ebensogut

wie in der Ebene. +Gauß+ hat sich das Problem gestellt, diese

zweidimensionale Geometrie prinzipiell zu behandeln, ohne zu

benutzen, daß die Fläche einem Euklidischen Kontinuum von drei

Dimensionen angehört. Denkt man sich +in der Fläche+ mit starren

Stäbchen Konstruktionen ausgeführt (ähnlich wie vorhin auf der

Tischplatte), so gelten für diese andere Gesetze als gemäß der

Euklidischen Geometrie der Ebene. Die Fläche ist in bezug auf

die Stäbchen kein Euklidisches Kontinuum, und es lassen sich

+in der Fläche+ keine Kartesischen Koordinaten definieren.

+Gauß+ zeigte, nach welchen Prinzipien man die geometrischen

Verhältnisse in der Fläche behandeln kann, und wies damit

den Weg zu der +Riemann+schen Behandlung mehr-dimensionaler,

Nicht-Euklidischer Kontinua. So kam es, daß die Mathematiker die

formalen Probleme bereits seit langem gelöst haben, zu denen das

allgemeine Relativitätspostulat führt.

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