Es ist an der Zeit: Einsteins Relativitätstheorie verstehen PDF
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N. David Mermin Es ist an der Zeit Einsteins Relativitätstheorie verstehen EsistanderZeit N. David Mermin ist Mitglied der National Academy of SciencesundwurdemitdemerstenJulius-Edgar-Lilienfeld- Preis der American Physical Society ausgezeichnet. Er hat u.a. die Bücher „Festkörperphysik“ (mit N. Ashcroft), „Boojums All the Way through“ und „Space and Time inSpecialRelativity“geschrieben. N. David Mermin Es ist an der Zeit Einsteins Relativitätstheorie verstehen AusdemEnglischenübersetztvonMatthiasDelbrück N.DavidMermin LaboratoryofAtomicandSolidStatePhysics CornellUniversity Ithaca,USA ÜbersetztvonMatthiasDelbrück ISBN978-3-662-47151-7 ISBN978-3-662-47152-4(eBook) DOI10.1007/978-3-662-47152-4 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbiblio- grafie;detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerSpektrum ÜbersetzungderamerikanischenAusgabe:It’sAboutTimevonN.DavidMermin,erschienenbei PrincetonUniversityPress2005,Copyright©2005byPrincetonUniversityPress.AlleRechte vorbehalten. ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2016 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,die nichtausdrücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmung desVerlags.DasgiltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,Mikro- verfilmungenunddieEinspeicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesem WerkberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamen imSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenund dahervonjedermannbenutztwerdendürften. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformatio- nenindiesemWerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.Wederder VerlagnochdieAutorenoderdieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,Gewähr fürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehleroderÄußerungen. Planung:Dr.LisaEdelhäuser GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier Springer-Verlags GmbH Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+ BusinessMedia (www.springer.com) FürHannahundSam Vorwort Dieabsolute,wahreundmathematischeZeitfließtausih- rer eigenen Natur heraus, gleichmäßig und ohne Bezie- hungzuirgendetwas,dasihräußerlichwäre. IsaacNewton Mytimeisyourtime. RudyVallee ... schließlicherschienmirdieZeitselbstsuspektzusein. AlbertEinstein Im Jahr 2005 jährte sich die Veröffentlichung von Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie zum hundertsten Mal. Vierzig Jahre zuvor, also zum 60-jährigen Jubiläum, war ich als frischgebackener Physikdozent an der Cornell University zu der Überzeugung gekommen, es sei an der Zeit, die Relativitätstheorie in das Highschool-Curriculum aufzunehmen. Dies lässt sich überraschenderweise inner- halb eines Kurses in elementarer Algebra oder ebener Geometrie bewerkstelligen – mehr mathematisches Hand- werkszeug braucht man für ein volles Verständnis des Themas gar nicht. Daher konzipierte ich einen Kurs über VII VIII EsistanderZeit Spezielle Relativität für eine Gruppe von Highschool- Lehrern,diedamitgutzurechtzukommenschienen. Die Spezielle Relativitätstheorie ist ideal für den Unter- richt an High Schools geeignet, denn sie bietet nicht nur wirklicherstaunlicheAnwendungenderelementarenSchul- mathematik, sondernes besitzt auch jeder von uns (mögli- cherweise ohne sich dessen bewusst zu sein) ein intuitives Verständnis für die Relativität der Natur. Es geht um die Zeit – was könnte einem vertrauter sein? Was die Sache so faszinierendmacht, ist, dasssichdankderRelativitätstheo- rie etwas so Vertrautes wie die Zeit als in Wirklichkeit so schockierend andersartig herausstellt; anders als alles, was man sich bis 1905 darunter hatte vorstellen können. Wir wissen nun, dass die beiden ersten Zitate zu Beginn dieses Vorworts komplett falsch sind. Zu verstehen, warum und inwiefernNewtonundRudyValleeeinfalschesVerständnis vom Wesen der Zeit hatten, ist ein wesentlicher Teil un- serer Allgemeinbildung. Das dritte Zitat, in dem Einstein denSchlüsselzurLösungdiesesgroßenphysikalischenRät- selsdervorletztenJahrhundertwendesowunderbaraufden Punkt bringt, stammt aus einem Gespräch, das der Physi- ker und Wissenschaftshistoriker Robert S. Shankland mit Einstein Anfang der 1950er Jahre führte, wenige Jahre vor dessenTod1955.1 Trotz der guten Gründe, die dafür sprechen, wurde die SpezielleRelativitätstheorieindenletzten40Jahrennichtin die Lehrpläne der High Schools aufgenommen.2 Das Ein- zige, was von meinem heroischen Kampf gegen die Wind- mühlen übrig blieb, war ein Buch, das 1968 auf Englisch unterdemTitelSpaceandTimeinSpecialRelativityerschien und bis heute erhältlich ist.3 Obwohl ich es eigentlich für Vorwort IX Highschool-Schüler geschrieben hatte, ist es in den letzten vier Jahrzehnten wohl nur selten in Schülerkreisen aufge- taucht. Stattdessen habe ich es lange Zeit an der Cornell University in Relativitätstheorie-Kursen für Nichtphysiker benutzt. Während ichimLaufderJahre StudierendendieRelati- vitätstheoriezuerklärenversuchte, wurdeichimmerunzu- friedenermitmeinemBuch.Obwohlichesweiterhinjedem anderenBuchaufseinemelementarenmathematischenNi- veauvorzog,wurdemirklar,dasseshöchstensdenberühm- tenEinäugigenunterdenBlindenabgab.Inden1990erJah- renhabeichschließlichaufgehört,esalsLehrbuchzuemp- fehlen und mich stattdessen auf das Vorlesungsskript ver- lassen,dasichinzwischenfürmeineCornell-Nichtphysiker ausgearbeitet hatte. Während meiner gesamten Lehrtätig- keit wurde das Skript kontinuierlich umgestellt und über- arbeitet–alsReaktionaufdieSchwierigkeitenundMissver- ständnisse, die sich in unzähligen Gesprächen mit klugen, verwirrtenStudierendenauftaten. DervisionäreJungdozentvonvor40Jahrenstehtnunvor derRente,unddiesesneueBuchüberdieSpezielleRelativi- tätstheorieistimWesentlichendieaktuelleFassungmeines Vorlesungsskripts.IchhabekeineZweifel,dassdiesesSkript sichauchweiter ständigverbessernwürde,wenn ichweiter imAustauschmitalldiesenwunderbargescheiten,offenen, kritischenCornell-Studentenstünde,diegeholfenhaben,es aufdenjetzigenStandzubringen.DochohnedieHilfedie- ser Quelle beständiger Inspirationen und Überraschungen würde weiteres Herumfeilen an meinen Notizen die Sache eher schlechter als besser machen. Es ist an der Zeit, noch einmaleinBuchzuschreiben. X EsistanderZeit Zwischen 1968 und 2005 habe ich viel darüber gelernt, wie man die Spezielle Relativitätstheorie erklären sollte. Eine didaktische Entdeckung war dabei besonders wert- voll. Jeder, der dieses Thema verstehen will, muss in der Lage sein sich vorzustellen, wie Ereignisse, etwa auf einem Bahnhof,ausderSichteinesPassagiersineinem(geradlinig- gleichförmig) durchfahrenden Zug beschrieben werden, undgenauso,wieEreignisseindiesemZugausderSichtdes Aufsichtspersonals auf dem Bahnsteig beschrieben werden. Ohne die Fähigkeit, korrekt und souverän zwischen diesen zwei Sichtweisenhin- und herzuwechseln, kann mannicht einmal beginnen, ein rudimentäres Verständnis für unser Themazuentwickeln.DochalleeinführendenBücherüber dieSpezielleRelativitätstheorie,einschließlichmeines eige- nen von 1968, setzen dies als gegeben voraus und wenden diese ungewohnte, nicht trainierte und oft gar nicht vor- handene Kompetenz sofort auf hochgradig kontraintuitive Phänomene an. WennmanRelativitäterklärenmöchte,führtdieserPro- zessoftzuBeschreibungenauszweiverschiedenenPerspek- tiven,dieeinander(aufdenerstenBlick)komplettzuwider- sprechenscheinen.ImAngesichteinesscheinbarenParado- xonsgehenMenschen,dienochniezuvormitderTransfor- mationzwischenBahnhofsperspektiveundZugperspektive zu tun hatten, aus gutem Grund davon aus, dass sie da- beiirgendetwasfalschgemachthabenmüssen.Stattzuver- suchen, das Paradoxon als ein nur scheinbares aufzulösen, verlieren sie den Mut und das Vertrauen in die analytische Methode,diesiedorthineinbugsierthat. In dieser Hinsicht ist die Didaktik des Standardzugangs zurRelativitätstheoriefurchtbar.Manführteinesowesent-
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