Warum spüren wir nicht, wie sich die Erde dreht?

Was die Rotation betrifft, ist es nicht so einfach.

Von Paul Davies

Übersetzung | Bai Jiangzhu

Viele Menschen haben Angst vor dem Fliegen, insbesondere vor dem Abheben. Ich habe andere Probleme als sie: Mein Stress entsteht durch die Sorge, den Flug zu verpassen. Selbst wenn ich rechtzeitig ins Flugzeug steige, schlafe ich kurz vor dem Abheben aufgrund übermäßiger Nervosität ein. Wenn ich eine halbe Stunde später aufwache, kann ich oft nicht erkennen, ob das Flugzeug noch auf der Startbahn steht oder auf dem Weg nach Los Angeles ist.

Das Hauptproblem besteht darin, dass wir aus dem Inneren eines Flugzeugs nicht erkennen können, ob es sich bewegt. Natürlich ist es leicht zu spüren, wenn das Flugzeug steigt oder sinkt, aber wenn es gleichmäßig in der Luft fliegt, ist diese Bewegung schwer zu erkennen. Galileo war der erste, der dieses Problem ausdrücklich ansprach und darauf hinwies, dass eine gleichmäßige Geschwindigkeit nur in Gegenwart eines Referenzobjekts gemessen werden kann. Beispielsweise ist die auf dem Armaturenbrett eines Autos angezeigte Geschwindigkeit die Geschwindigkeit des Autos relativ zur Straße, und die Geschwindigkeit eines Flugzeugs ist seine Geschwindigkeit relativ zum Boden oder zur Luft.

Obwohl Physiker schon vor langer Zeit festgestellt haben, dass gleichförmige Bewegung nur relativ ist, fragen sich manche Menschen immer noch, wie schnell sich die Erde bewegt, wenn sie die Sonne umkreist und durch die Milchstraße zieht. Wir spüren diese Bewegung nicht, aber wir bewegen uns durch den Raum. Das bedeutet, dass, wenn wir uns selbst als Bezugspunkt nehmen, der Raum ständig durch unseren Körper hindurchgeht, wir uns dessen jedoch nicht bewusst sind. Wie hoch ist also die Geschwindigkeit der Weltraumbewegung? Wie viele Liter Raum strömen pro Sekunde durch unseren Körper, ohne dass wir es merken? Nachdem Galileo auf das Problem der Referenzobjekte hingewiesen hatte, wurde den Menschen klar, dass es offenbar keine materiellen Geräte gab, mit denen sich die gleichförmige Bewegung im Raum messen ließ. Wir können nicht einmal unsere Hände in die Leere um uns herum strecken, um den „Luftstrom“ zu spüren, der durch den Weltraum strömt. Gibt es also eine nicht-materielle Möglichkeit, es zu messen?

Ende des 19. Jahrhunderts ergab sich eine neue Möglichkeit: Könnten wir vielleicht Licht nutzen, um die Geschwindigkeit der Erdbewegung durch den Weltraum zu messen? Die Physiker stellten sich damals vor, der Weltraum sei mit einer geisterhaften, geleeartigen Substanz gefüllt, die sie „Äther“ nannten, und betrachteten Lichtwellen als Schwingungen, die sich im Äther mit einer bestimmten Geschwindigkeit (der Lichtgeschwindigkeit) ausbreiteten. Physiker haben verschiedene optische Instrumente erfunden, um die Geschwindigkeit der Erdbewegung durch den Äther zu messen. Nach mehreren Jahren harter Arbeit erhielten sie das Ergebnis 0. Dieses Ergebnis zeigt, dass sich die Erde im Weltraum (Äther) überhaupt nicht bewegt! Das macht offensichtlich keinen Sinn. Es bestand ein offensichtlicher Widerspruch zwischen Galileis Relativitätsprinzip der gleichförmigen Bewegung und der Theorie, dass sich Licht mit einer festen Geschwindigkeit bewegt. Jemand musste einen Schritt nach vorne machen und die Natur von Raum, Zeit, Bewegung und die Eigenschaften des Lichts neu bewerten. Einstein nahm die Herausforderung an und erlangte 1905 Berühmtheit, als er seine erste berühmte Abhandlung zur Relativitätstheorie veröffentlichte. Einstein widerlegte das Konzept des Äthers mit der Behauptung, die Lichtgeschwindigkeit sei konstant, der Beobachter, der die Lichtgeschwindigkeit misst, befinde sich jedoch in Bewegung. Gleichzeitig bekräftigte er Galileis Position, dass gleichförmige Bewegung immer relativ zu anderen Objekten sei. Er wies darauf hin, dass die Erforschung der Geschwindigkeit von Objekten relativ zum Weltraum nicht nur eine unmögliche Aufgabe, sondern auch sinnlos sei.

Das ist alles schön und gut, aber was ist mit ungleichmäßiger Bewegung (Bewegung mit Beschleunigung)? Wir können diese Bewegung ohne Schwierigkeiten messen; Wenn beispielsweise mein Kaffee verschüttet wird, weil das Flugzeug in Turbulenzen gerät, kann ich spüren, dass die gleichmäßige Bewegung des Flugzeugs durch die Luft gestört wurde, ohne aus dem Fenster schauen zu müssen. Beschleunigung ist eine für uns spürbare Veränderung der Geschwindigkeit. Wenn Sie während der Fahrt abrupt auf die Bremse treten, neigt sich Ihr Körper nach vorne. Wenn Sie das Lenkrad ruckartig bewegen, knallt Ihr Körper gegen die Autotür. Beides sind Beispiele für Beschleunigung, wobei erstere eine Änderung der Geschwindigkeit und letztere eine Änderung der Richtung ist.

Auch eine Drehung mit einer festen Geschwindigkeit führt zu einer Beschleunigung. Newton gab ein entsprechendes Beispiel: Wasser in einem rotierenden Eimer bildet einen Wirbel, der in der Mitte niedrig und um ihn herum hoch ist. Normalerweise führen wir dieses Phänomen auf die Zentrifugalkraft zurück. Um die Frage „Dreht sich der Eimer?“ zu beantworten, können wir die Antwort sofort erhalten, indem wir einfach beobachten, ob die Wasseroberfläche ruhig ist, ohne bestätigen zu müssen, ob sie sich relativ zum Boden bewegt. Anhand dieses Beispiels wurde Newton klar, dass Rotation und beschleunigte Bewegung nicht in Bezug auf andere materielle Systeme gemessen werden müssen und dass diese Bewegungen absolut sind. Kurz gesagt: Die Beschleunigung ist relativ zum absoluten Raum selbst.

Aber nicht alle stimmten seiner Ansicht zu. Bis ins 20. Jahrhundert glaubten einige Wissenschaftler, dass auch Rotation als Relativbewegung verstanden werden müsse. Also, was ist die Referenz? Physiker sprachen in der Vergangenheit oft davon, dass es sich um eine relative Größe zu „Fixsternen“ handele. Sterne sind jedoch nicht ewig und unveränderlich; Sie sind einfach so weit weg, dass wir ihre Bewegung ignorieren. Vielleicht lässt es sich besser so ausdrücken, dass die Rotation relativ zu weit entfernten Objekten im Universum erfolgt. Um diesen Satz besser zu verstehen, können Sie sich vorstellen, dass Sie mit geschlossenen Augen auf einem großen Pendel in einem Vergnügungspark sitzen und sich mit sehr hoher Geschwindigkeit im Kreis drehen. Öffnen Sie jetzt Ihre Augen und schauen Sie nach oben. Was sehen Sie? Sie sehen die rotierenden Sterne. Wenn die Sterne aufhören, sich zu drehen, wissen Sie, dass Ihr Pendelabenteuer endlich vorbei ist. Also schnallen Sie sich an und steigen Sie aus!

Diese alltägliche Erfahrung hat manche Menschen, allen voran den österreichischen Physiker und Philosophen Ernst Mach, dazu veranlasst, weit entfernte Sterne als Quelle ihres Beschleunigungsgefühls zu betrachten. Ja, die Einheit zur Beschreibung der Geschwindigkeit von Flugzeugen ist nach ihm benannt. Der Grund dafür, dass Sie das Gefühl haben, an den Rand eines sich drehenden Sitzes in einem Vergnügungspark gezogen zu werden oder dass Ihnen bei einem plötzlichen Absturz in einem Aufzug der Magen umdreht, liegt darin, dass die Sterne an Ihnen ziehen, sagt Mach. Dies ist eine faszinierende Theorie, die wir heute Machs Prinzip nennen. Viele Menschen sind davon sehr angetan, darunter auch Einstein, der glaubte, dass nicht nur gleichförmige Bewegung relativ ist, sondern jede Bewegung relativ ist. Einstein hoffte, das Machsche Prinzip in seine allgemeine Relativitätstheorie integrieren zu können. Er glaubte, dass die kombinierten Effekte aller weit entfernten Sterne und Galaxien lokal erkennbare Effekte hervorrufen würden, einer davon sei die Zentrifugalkraft.

Die schönste Theorie aller Zeiten

Die allgemeine Relativitätstheorie wird als höchste Errungenschaft der menschlichen Intelligenz gefeiert. Es ist sowohl eine wissenschaftliche Theorie als auch ein großartiges Kunstwerk. Es kombiniert auf geschickte Weise Raum, Zeit, Materie und Kräfte mithilfe einer Reihe von Gleichungen. Im Gegensatz zu vielen Bottom-up-Theorien der Physik basiert die allgemeine Relativitätstheorie auf einigen sehr grundlegenden Prinzipien, wie etwa der Idee, dass alle physikalischen Eigenschaften unabhängig von der Metrik sein müssen, mit der sie beschrieben werden. Die Geometrie eines Objekts wird durch die Anordnung von Materie und Energie im Raum bestimmt. Die von Newton vorgeschlagene Schwerkraft war keine konkrete Sache. Was wirklich existierte, war lediglich eine sich ständig weiterentwickelnde, ruhelose geometrische Struktur, in der Materie brodelte und Licht sich bewegte. Newtons etwas langweiliges Konzept der „absoluten Leere“ wurde durch die Idee des Raums als einer lebendigen, dynamischen Einheit ersetzt, die sich ausdehnen, zusammenziehen, verdrehen, biegen, pulsieren und vibrieren kann und die Energiewellen in Form von Vibrationen mit Lichtgeschwindigkeit durch das gesamte Universum übertragen würde. Die allgemeine Relativitätstheorie war bislang unanfechtbar und selbst heute, 100 Jahre nachdem Einstein diese brillante Theorie aufgestellt hat, gibt es keine Beobachtungen, die ihr widersprechen.

Leider war diese Arbeit letztlich nicht erfolgreich. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass sich der Äquator eines Planeten, der sich im Vakuum drehen würde, aufgrund seiner Rotation nach außen wölben würde, genau wie der der Erde, selbst wenn wir seine Bewegung nicht in Bezug auf irgendwelche „Fixsterne“ messen. Einsteins Theorie ist die bislang genaueste Beschreibung der Schwerkraft und bestätigt in der Frage der Rotation Newtons Ansicht, dass die Rotation eher absolut als relativ ist. Auch wenn wir über die Geschwindigkeit im Weltraum keine sinnvolle Diskussion führen können, ist es dennoch sinnvoll, über die Beschleunigung von Objekten im Vakuum zu diskutieren.

Dies ist jedoch nicht das gesamte Bild des Problems. Einige Physiker und Kosmologen versuchen, an einigen der subtileren Gleichungen des Machschen Prinzips herumzubasteln, einem Rätsel, das noch immer gelöst werden muss. Tatsächlich stellen sich viele meiner Kollegen den Raum manchmal als etwas vor, wie Newton es tat, und manchmal als nichts. Der Reiz des Machschen Prinzips liegt darin, dass es den menschlichen Alltag (wie etwa das Erleben der Rotation nach einem Pendel) mit der Struktur des Universums verbindet. Der Dichter Francis Thompson würdigte diese wunderschöne Verbindung mit folgenden Worten:

Gott hat alle Dinge erschaffen,

Nah oder fern;

Dunstig und geheimnisvoll,

miteinander verbunden;

Pflücke eine Blume,

Zehntausend Sterne funkeln.

Über den Autor

Der theoretische Physiker und Astrobiologe Paul Davies (1946-) ist Direktor des Center for Beyond Basic Concepts in Science an der Arizona State University und Vorsitzender des Post-Detection-Missionsteams der Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI). Er ist außerdem Wissenschaftsautor und hat mehr als 20 Bücher geschrieben, darunter „Gott und die neue Physik“, „Der Geist Gottes“, „Die letzten drei Minuten“, „Über die Zeit: Einsteins unvollendete Revolution“, „Wie man eine Zeitmaschine baut“ usw.

Dieser Artikel darf ausschließlich aus Kapitel 7 von „Who Will Eat Our Universe?“ entnommen werden. (Nautilus, CITIC Press).

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