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Von der Theorie zum Experiment

Erste Beweise für Einsteins Theorie

Nun ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zunächst einmal nur eine Hypothese. Einstein wagte sie, weil er damit Probleme lösen konnte, die im damaligen Fundament der physikalischen Grundtheorien aufgetreten waren. Deshalb war es für ihn wichtig, dass die Vorhersagen seiner Theorie experimentell bestätigt würden. Dass dies nicht mit normalen Uhren funktionieren kann, war ihm klar – nachweisbare Effekte treten erst bei extrem hohen Geschwindigkeiten auf.

Im Jahr 1907 schlug Albert Einstein ein trickreiches Experiment vor, um die Zeitdilatation mit Atomen zu messen. Er bezog sich dabei auf einen Versuch, den kurz zuvor Johannes Stark ausgeführt hatte. (Ironischerweise profilierte sich in den 1920er-Jahren ausgerechnet Stark als ausgesprochener Anti-Relativist und eifriger Verfechter einer „Deutschen Physik“).

Wellen als „Zeitmetronom“

Johannes Stark hatte in seinem Labor an der Universität Greifswald positiv geladene Atome, so genannte Ionen, in elektrischen Feldern beschleunigt und untersucht. Diese Ionen senden Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge aus, die sich genau messen lässt. Stellt man sich Licht als schwingende Welle vor, so kann man die Schwingungsdauer (Frequenz) auch als Zeitmetronom auffassen, oder wie Einstein schreibt: „So können wir ein solches Ion als eine Uhr von bestimmter Frequenzzahl ansehen.“ Hierauf basieren heutige Atomuhren.

Erster Beweis am Wasserstoff

Einsteins Idee war nun: Wenn die Ionen in den Kanalstrahlen sehr schnell fliegen, vergeht bei ihnen die Zeit langsamer als im Labor. Das von ihnen ausgesandte Licht müsste daher langsamer schwingen, was sich in einer vergrößerten Wellenlänge und einer verringerten Frequenz äußern sollte. Damals reichte jedoch die Messgenauigkeit nicht aus, um die Formel der Speziellen Relativitätstheorie zu testen. Dies gelang erstmals zwei amerikanischen Physikern im Jahr 1938, indem sie eine Spektrallinie von Wasserstoff vermaßen, der sich in Form eines Kanalstrahls mit etwa 1500 Kilometer pro Sekunde bewegte. Die damaligen Messwerte bestätigten die Relativitätstheorie bis auf etwa zwei Prozent genau.

Bis heute ist das historische Experiment mehrfach mit wachsender Genauigkeit und mit unterschiedlichen Messverfahren wiederholt worden. Bislang bestätigten alle Ergebnisse die Spezielle Relativitätstheorie. Ist es dann überhaupt noch nötig, weitere Anstrengungen zu unternehmen? Muss man mittlerweile nicht davon ausgehen, dass Einsteins Theorie stimmt? „Man kann nie letztendlich beweisen, dass eine Theorie richtig ist“, sagt Guido Saathoff. „Sie gilt immer nur so lange, bis ein experimentelles Ergebnis ihr widerspricht.“

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Stand: 21.05.2004

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Wie relativ ist die Zeit?
Auf der Suche nach Einsteins Zeitdehnung

Die "magische Konstante"
Einsteins Spezielle Relativitätstheorie

Von der Theorie zum Experiment
Erste Beweise für Einsteins Theorie

Kühles Bad im Elektronensee
Die Suche nach der „Großen Vereinheitlichung“

Doppler-Effekt ausgetrickst
Laser-„Gegenverkehr“ gegen Verzerrungen

Noch gilt Einstein auf ein Millionstel
...aber wie lange noch?

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