Kritik an der Relativitätstheorie

Kritik an der Relativitätstheorie wurde vor allem in den Jahren nach ihrer Veröffentlichung auf wissenschaftlicher, philosophischer, pseudowissenschaftlicher und ideologischer Ebene geäußert. Gründe für die Kritik waren eigene Alternativtheorien, Widersprüche zu vorhandenen Theorien, Ablehnung der abstrakt-mathematischen Methode, Unverständnis und angebliche Fehler in der Theorie. Einige der ideologischen Kritiken wurden durch Antisemitismus motiviert. Auch heute noch gibt es Kritiker der Relativitätstheorie, die auch als Antirelativisten bezeichnet werden. Ihre Ansichten werden in der wissenschaftlichen Fachwelt jedoch nicht ernst genommen und sind eine Form der Wissenschaftsleugnung, da die Relativitätstheorie als widerspruchsfrei eingestuft wird und viele experimentelle Bestätigungen vorliegen.

Spezielle Relativitätstheorie Relativitätsprinzip contra elektromagnetisches Weltbild Vor allem durch die Arbeiten von Joseph Larmor (1897) und Wilhelm Wien (1900) war die Ansicht weit verbreitet, dass sämtliche Kräfte in der Natur elektromagnetischen Ursprungs seien („elektromagnetisches Weltbild“). Dies wurde durch die Experimente von Walter Kaufmann (1901–1903) bestätigt. Kaufmann maß eine Zunahme der Masse mit der Geschwindigkeit annähernd so, wie sie sich ergibt, wenn die Masse vollständig durch die elektromagnetische Energie bestimmt ist. Max Abraham (1902) entwarf nun eine theoretische Interpretation der Kaufmannschen Resultate, in der das Elektron fälschlicherweise als starr und kugelförmig vorausgesetzt wurde. Es zeigte sich jedoch, dass dieses Modell mit der von Henri Poincaré (1902) als Relativitätsprinzip bezeichneten Annahme unverträglich war, wonach eine „absolute“ Bewegung eines Beobachters relativ zum Äther („Ätherwind“) unauffindbar sein sollte. Deswegen hatte Hendrik Antoon Lorentz (1904) ein Modell (Lorentzsche Äthertheorie) geschaffen, welches das Relativitätsprinzip weitgehend erfüllte, in Übereinstimmung mit den kaufmannschen Versuchen war und auf einem ruhenden Äther basierte. Im Gegensatz zur Theorie Abrahams ist hier das Elektron einer Verkürzung in Bewegungsrichtung unterworfen (Lorentzkontraktion) und die Zeitkoordinaten, die vom im Äther bewegten Beobachter benutzt werden, sind von ihrem jeweiligen Ort abhängig (Ortszeit). Beide Effekte sind in der sogenannten Lorentz-Transformation enthalten.

Abraham (1904) wandte dagegen ein, dass bei einer Lorentzkontraktion nicht-elektromagnetische Kräfte erforderlich sind, um die Stabilität der Elektronen zu garantieren, was für Vertreter des elektromagnetischen Weltbildes unannehmbar war (a). Abraham zweifelte fälschlicherweise daran, dass ein solches, dem Relativitätsprinzip gehorchendes Modell überhaupt widerspruchsfrei formuliert werden konnte (b). Poincaré (1905) konnte jedoch zeigen, dass (b) sehr wohl mit dem Relativitätsprinzip und einer modifizierten lorentzschen Theorie vereinbar war. Poincaré blieb zwar weiterhin der Meinung, dass die Masse ausschließlich elektromagnetischen Ursprungs sei, jedoch definierte er formal ein nicht-elektromagnetisches Potential (die sogenannten „Poincaré-Spannungen“), das den Lorentztransformationen unterworfen ist und die Stabilität der Elektronen mit angenommener Geometrie garantierte. Das elektromagnetische Weltbild wurde folglich zugunsten des Relativitätsprinzips aufgegeben. Diese Entwicklung entsprach auch der von Albert Einstein 1905 eingeführten speziellen Relativitätstheorie, in der die Lorentz-Transformation aus zwei Postulaten, nämlich dem Relativitätsprinzip und der Lichtkonstanz, hergeleitet wird. Diese Theorie betrifft die Natur von Raum und Zeit selbst und beschränkt sich nicht nur auf elektromagnetische Effekte. Experimentelle „Widerlegungen“ Wie geschildert, waren die Messungen Kaufmanns (1901–1903) sowohl mit der abrahamschen als auch mit der lorentzschen Theorie vereinbar. Um eine Entscheidung zwischen den Theorien herbeizuführen, führte er 1905 eine noch präzisere Serie von Experimenten durch. Inzwischen hatte sich jedoch die theoretische Situation geändert. Alfred Bucherer und Paul Langevin (1904) hatten ein weiteres Konkurrenzmodell entwickelt, wonach das Elektron einerseits kontrahiert, jedoch senkrecht dazu expandiert und somit das Volumen konstant bleibt. Und während Kaufmann noch die Ergebnisse seiner Messungen auswertete, veröffentlichte Albert Einstein im September 1905 die Spezielle Relativitätstheorie (SRT), die auf einer radikal neuen Auffassung des Relativitätsprinzips beruhte, wonach der Äther überhaupt nicht existiert und Raum und Zeit relativ sind. Was die experimentellen Vorhersagen betrifft, war die Theorie jedoch äquivalent mit der Äthertheorie von Lorentz und Poincaré. Kaufmanns Ergebnisse schienen nun die Theorie Abrahams und in einem geringeren Ausmaß das Bucherer-Langevin-Modell zu bestätigen und sprachen sehr stark gegen die Theorien von Lorentz und Einstein. Kaufmann zog daraus den Schluss, dass die „lorentz-einsteinsche“ Grundannahme, nämlich das Relativitätsprinzip, widerlegt sei. Lorentz reagierte darauf mit dem Ausspruch, „am Ende seines Lateins“ zu sein, während Einstein die Ergebnisse vorerst nicht kommentierte. Andere begannen jedoch, die Ergebnisse im Detail zu kritisieren. Max Planck (1906) verwies auf Unstimmigkeiten in der theoretischen Interpretation der Daten und Adolf Bestelmeyer (1906) führte neue Techniken ein, die besonders im Bereich geringerer Geschwindigkeit andere Ergebnisse als Kaufmann lieferten, und Zweifel an Kaufmanns Methoden aufkommen ließen.

Bucherer (1908) führte deswegen neue Experimente durch und kam zum Schluss, das „lorentz-einsteinsche Relativitätsprinzip“ bestätigt zu haben, was von Lorentz, Poincaré und Einstein mit Erleichterung und Zufriedenheit registriert wurde. Aber auch hier kamen (vor allem durch Bestelmeyer) Zweifel an der Methode auf. Weitere Experimente von Hupka (1910), Neumann (1914) und anderen schienen diese Zweifel an den Experimentalergebnissen ausgeräumt zu haben. Spätere Untersuchungen (1938) ergaben jedoch, dass die Durchführung der Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente von einem modernen Standpunkt aus ungenügend gewesen seien, und erst 1940 konnten bei entsprechenden Experimenten die letzten Zweifel an der Richtigkeit der Lorentz-Einstein-Formel ausgeräumt werden. (Diese Problematik betraf jedoch nur diese Form der Experimente. Bei Untersuchungen zur Theorie der Spektren konnte die Massenveränderlichkeit gemäß der Lorentz-Einstein-Formel schon ab 1917 sehr genau bestätigt werden. Und in modernen Teilchenbeschleunigern ist die Bestätigung der relativistischen Vorhersagen für Energie bzw. Masse schnell bewegter Teilchen bereits Routine.) Diskutiert wurden danach auch die Experimente von Dayton C. Miller. Dieser war dafür bekannt, dass er 1902–1906 zusammen mit Edward W. Morley eine Serie von Wiederholungen des Michelson-Morley-Experiments durchführte, die im Rahmen der Messgenauigkeit das negative Resultat des ursprünglichen Experiments bestätigten. 1921–1926 führte Miller jedoch Versuche durch, die scheinbar positive Ergebnisse lieferten, und folglich die spezielle Relativitätstheorie widerlegt bzw. die Existenz eines Äthers in irgendeiner Form bewiesen hätten. Millers Experimente sorgten für einiges Aufsehen, wurden jedoch in der Fachwelt nicht sonderlich ernst genommen, wie z. B. Einsteins humoriger Kommentar („Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht.“) zeigt. So kritisierten sowohl Einstein und später auch Shankland, dass Miller den Einfluss der Temperatur nicht ausreichend berücksichtigt hätte. Und in einer moderneren Analyse durch Roberts wird darauf hingewiesen, dass Miller bei der Auswertung der Daten (auch aufgrund der technischen Mängel seiner Zeit) signifikante Fehler unterlaufen sind, und deren Beseitigung würde ein Nullresultat ergeben. Weiters stand dieses angeblich positive Ergebnis nicht nur im Widerspruch zu den älteren Experimenten, sondern sie konnten bei den weiteren Versuchen jener Zeit nicht reproduziert werden. So verwendete Georg Joos 1930 eine Anordnung von ähnlichen Ausmaßen wie bei Miller und erzielte ein negatives Ergebnis. Doch nicht nur deswegen spielen Millers Ergebnisse heute keine Rolle mehr: Durch Verwendung von Laser und Maser konnte in modernen Varianten des Michelson-Morley-Experiments die effektive Weglänge der Lichtstrahlen erheblich vergrößert werden – die Ergebnisse waren und sind alle negativ.

Beschleunigung in der speziellen Relativitätstheorie Ein weiterer Einwand gegen die Relativitätstheorie war die Frage, ob im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie Beschleunigungen behandelt werden können bzw. wie dies mit dem Konzept des starren Körpers zu vereinbaren ist. Max Born (1909) entwickelte nun ein Modell, worin die beschleunigte Bewegung von starren Körpern berücksichtigt wurde. Dies führte auf ein von Paul Ehrenfest aufgezeigtes Paradoxon: Aufgrund der Lorentzkontraktion würde sich der Umfang eines rotierenden starren Körpers (einer Scheibe) verringern, während der Radius gleich bliebe (Ehrenfestsches Paradoxon). Max von Laue (1911) zeigte jedoch, dass aufgrund der Endlichkeit der Signalausbreitung in Körpern ein starrer Körper in der speziellen Relativitätstheorie unmöglich ist. D. h.: Wird ein Körper in Rotation versetzt, käme es sofort zu entsprechenden Deformationen. Auch für Einstein war ein ähnliches Gedankenexperiment bei seiner Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie (ART) von Bedeutung, denn er berechnete, dass für einen mitrotierenden Beobachter der Raum eine nichteuklidische Geometrie annimmt.

Ein anderes Beispiel war der Sagnac-Effekt. Hier werden zwei Signale in entgegengesetzter Richtung ausgesendet, um dann wieder zurückzukehren. Wird die Anordnung in Rotation versetzt, kommt es zu Verschiebungen der Interferenzstreifen. Georges Sagnac (1913) glaubte damit die Existenz des Lichtäthers bewiesen zu haben. Jedoch bereits vorher (1911) konnte Laue die Theorie für diesen Versuch im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie geben – entsprechende Erklärungen für spezielle und allgemeine Relativitätstheorie wurden später auch von Paul Langevin (1921, 1937) gegeben. Für einen nicht mitbewegten Beobachter ist das Ergebnis eine selbstverständliche Folge der Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Quelle. Für einen mitbewegten Beobachter ist sie Folge der Beschleunigung während der Rotation, wie es sich auch in der klassischen Mechanik ergibt, z. B. beim Foucaultschen Pendel. Dies hängt damit zusammen, dass in beschleunigten Bezugssystemen die Uhren ihre Synchronisation verlieren, und die gemessene Lichtgeschwindigkeit nicht mehr konstant ist.

Wie Langevin (1911) und Laue (1913) zeigten, entspricht auch das häufig gegen die spezielle Relativitätstheorie eingewendete Zwillingsparadoxon (oder Uhrenparadoxon) diesem Erklärungsschema: Wenn zwei Beobachter sich voneinander entfernen, und einer von ihnen beschleunigt wird und damit sein Inertialsystem verlässt, um zum anderen zurückzukehren, wird der beschleunigte Beobachter beim Zusammentreffen jünger sein als der, der die ganze Zeit in seinem Inertialsystem ruhte. Es ist daher durchaus möglich, beschleunigte Bewegungen im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie zu beschreiben, sofern die Komplikationen beim Wechsel der Inertialsysteme sorgfältig berücksichtigt werden. Während also bei der Beschreibung physikalischer Vorgänge Beobachter in verschiedenen Inertialsystemen nach der Relativitätstheorie vollkommen gleichberechtigt sind, gilt dies für beschleunigte Bewegungen nicht mehr.