Die Geschichte der speziellen Relativitätstheorie bezeichnet die Entwicklung von empirischen und konzeptionellen Vorschlägen und Erkenntnissen innerhalb der theoretischen Physik, die zu einem neuen Verständnis von Raum und Zeit, Masse und Energie führten. Nach einer Reihe von theoretischen und experimentellen Vorarbeiten verschiedener Autoren im 19. Jahrhundert wurde die abschließende Entwicklung in den Jahren um 1900 insbesondere von Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré eingeleitet. Sie gipfelte 1905 in der Ausarbeitung der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein. In der Folge wurde die Theorie weiter ausgebaut, vor allem durch Hermann Minkowski.

Überblick Absoluter Raum, absolute Zeit

Isaac Newton war in seinen 1687 publizierten Principia explizit von einem absoluten Raum und einer absoluten Zeit ausgegangen. Gleichwohl galt auch in seiner Theorie der Mechanik das Relativitätsprinzip von Galileo Galilei, wonach Beobachtungen von zueinander gleichförmig bewegten Beobachtern gleichberechtigt sind und mittels der Galilei-Transformation ineinander umgerechnet werden können. Diese Beobachter können ihren absoluten Bewegungszustand daher nicht bestimmen, und daher gibt es kein physikalisch privilegiertes, absolut „ruhendes“ Bezugssystem. Ende des 19. Jahrhunderts betonten verschiedene Physiker, genau genommen führe dies zu einer Vervielfältigung „absoluter Räume“ – so etwa Ludwig Lange, der 1885 den Begriff Inertialsystem einführte und ihn operational definierte. Auch Ernst Mach sah die Absolutheit von Raum und Zeit nicht hinreichend phänomenologisch-empirisch fundiert.Hentschel (1990), 4f

Äther, aber nicht nachweisbar

Das Gegenstück zum „absoluten Raum“ der Mechanik war in der Elektrodynamik der Äther. Dieses Konzept beruht auf der bis Anfang des 20. Jahrhunderts nicht hinterfragten Annahme, dass Wellen zu ihrer Ausbreitung ein Medium benötigen. In Analogie zum Schall, der zu seiner Ausbreitung z. B. die Luft benötigt, wurde für das Licht ein stofflicher „Äther“ postuliert. James Clerk Maxwell hatte diese Voraussetzung so formuliert, dass es ein Medium gäbe, in dem sich alle optischen und elektrischen Phänomene ausbreiten. Demnach hat die Lichtgeschwindigkeit den gemessenen Wert, wie er auch aus den maxwellschen Gleichungen abgeleitet wurde, als Relativgeschwindigkeit zum Äther. Nach der damals weit verbreiteten Annahme, dass der Äther ruht und nicht von der Erde mitgeführt wird, müsste es möglich sein, den Bewegungszustand der Erde relativ zum Äther als „Ätherwind“ durch genauere Messungen der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Richtungen zu bestimmen. Allerdings scheiterten diese und auch alle weiteren Versuche, einen Ätherwind experimentell nachzuweisen.Hentschel (1990), 5f

Lorentz-Transformation

Dies führte ab 1892 zur Entwicklung der maxwell-lorentzschen Elektrodynamik durch Hendrik Antoon Lorentz. Sie beruht auf einem absolut ruhenden Äther und erklärt die Abwesenheit von bemerkbaren Anzeichen eines Ätherwinds durch Längenkontraktion und Zeitdilatation: Bewegung gegen den Äther soll bei allen Körpern eine Verkürzung und bei allen Prozessen eine Verlangsamung verursachen, beides gerade in dem Maß, dass die Bewegung nicht nachweisbar ist. Dafür war ausreichend, für die Umrechnung der Koordinaten von einem Bezugssystem ins andere eine abgeänderte Galilei-Transformation zu benutzen, nämlich die von Lorentz ausgearbeitete Lorentz-Transformation. Dies führte jedoch bei der Umrechnung der elektrodynamischen Felder zu Unstimmigkeiten, sodass der Ansatz von Lorentz das Relativitätsprinzip nur in der Mechanik, aber nicht in der Elektrodynamik erfüllte.Hentschel (1990), 10

Henri Poincaré erkannte 1904 als Hauptmerkmal der „neuen Mechanik“ (also der lorentzschen Theorie), dass die Lichtgeschwindigkeit eine für alle Beobachter unüberschreitbare Maximalgeschwindigkeit ist. 1905 gelang ihm eine vollständige physikalische Verallgemeinerung und mathematisch elegante Formalisierung der lorentzschen Elektrodynamik, wobei er das Relativitätsprinzip als universell, auch für die Elektrodynamik und Gravitation gültiges Naturgesetz zugrunde legte. An der Existenz eines Äthers und der Unterscheidung zwischen „wahren“ und „scheinbaren“ Längen und Zeiten hielt er jedoch weiterhin fest.

Einsteins wissenschaftlicher Durchbruch Albert Einstein erkannte 1905, dass der Schlüssel zur Lösung im Umgang mit dem Begriff der Zeit lag:

Dass es keine zwingende Begründung für die einheitliche Definition einer Größe „Zeit“ gibt, war in gewisser Weise von Poincaré vorbereitet worden, der 1898 geschrieben hatte:

Albert Einstein konnte zeigen, dass allein aus der gleichzeitigen Geltung von Relativitätsprinzip und Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zwingend hervorgeht, dass es keine universelle, für alle Beobachter geltende Zeit gibt. Insbesondere lässt sich bei zwei Ereignissen, die räumlich entfernt voneinander stattfinden, nicht immer eindeutig sagen, ob sie gleichzeitig oder nacheinander geschehen. Vielmehr kann Gleichzeitigkeit und damit auch die Zeit selbst nur relativ zu einem Bezugssystem definiert werden. Das Gleiche muss dann auch für räumliche Abstände gelten. Mit den so abgewandelten Begriffen von Raum und Zeit stellte er auf einfachste Weise die spezielle Relativitätstheorie (SRT) auf, aus der sich auch die lorentzsche Elektrodynamik ergibt. Ein Äther musste dazu gar nicht eingeführt werden, war also nun eine überflüssige Annahme.Miller (1981); Pais (2000), Kap. 7 Nach der Abschaffung der Konzeption eines Äthers gab es keinen Grund mehr, irgendein Bezugssystem zur Definition von „wahren“ Raum- und Zeitkoordinaten auszuwählen und die Koordinaten aller anderen Bezugssystem als „scheinbare“ zu bezeichnen, wie es Poincaré und Lorentz noch getan hatten. Das heute übliche Konzept der vierdimensionalen Raumzeit wurde dann 1907 von Hermann Minkowski entwickelt. Dies alles machte den Weg frei zur Allgemeinen Relativitätstheorie (ART, ab 1916) und zur Entwicklung der relativistischen Quantenfeldtheorie (QED, ab 1927).

Äther und Elektrodynamik bewegter Körper Äthermodelle und maxwellsche Gleichungen Im 19. Jahrhundert war man vor allem durch die Arbeiten von Thomas Young (1804) und Augustin Jean Fresnel (1816) zur Überzeugung gelangt, dass Licht sich als eine Transversalwelle in einem Medium („Lichtäther“) ausbreitet, welches von vielen als ein elastischer Festkörper aufgefasst wurde. Es wurde jedoch weiterhin zwischen optischen Phänomenen einerseits, elektrodynamischen andererseits unterschieden. Das heißt, es mussten für diese Phänomene jeweils eigene Äthervarianten konstruiert werden. Versuche, diese Äthervarianten zu vereinigen und eine vollständig gültige mechanische Beschreibung des Äthers vorzulegen, scheiterten jedoch.Whittaker (1951), 128ff

mini|James Clerk Maxwell

Nach Vorarbeiten von Physikern wie Michael Faraday, Lord Kelvin und anderen entwickelte James Clerk Maxwell (1864) nun grundlegende Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus, die so genannten maxwellschen Gleichungen. Dabei entwarf er ein Modell, in dem die Phänomene der Optik als auch der Elektrodynamik zusammen auf einen einzigen, elektromagnetischen Äther zurückzuführen sind, und definierte Licht als eine elektromagnetische Welle, welche sich konstant mit Lichtgeschwindigkeit in Bezug zum Äther ausbreitete.Whittaker (1951), 240ff Als weitere wichtige Konsequenz der Theorie wurde von Maxwell (1873) die Existenz von elektrostatischen und magnetischen „Spannungen“ abgeleitet, die einen Druck auf Körper ausüben können – eine unmittelbare Folge davon ist der vom Licht ausgeübte Strahlungsdruck. Adolfo Bartoli (1876) leitete die Existenz desselben Drucks aus thermodynamischen Überlegungen ab.Whittaker (1951), 271ff

Nachdem Heinrich Hertz (1887) die Existenz von elektromagnetischen Wellen nachgewiesen hatte, wurde die maxwellsche Theorie schließlich weithin akzeptiert. Oliver Heaviside (1889) und Hertz (1890 a,b) führten dabei modernisierte Versionen der maxwellschen Gleichungen ein, die eine wichtige Grundlage für die weitere Entwicklung der Elektrodynamik bildeten („maxwell-hertzsche“ bzw. „heaviside-hertzsche“ Gleichungen). Dabei war es schließlich die von Heaviside gegebene Form, welche sich allgemein durchsetzte. Anfang 1900 wurde die hertzsche Theorie jedoch experimentell widerlegt und musste aufgegeben werden.Whittaker (1951), 319ffJanssen/Stachel (2004), 20 Hertz selbst war dabei einer der letzten Anhänger des „mechanistischen Weltbildes“, wonach alle elektromagnetischen Prozesse auf mechanische Stoß- und Kontaktwirkungen im Äther zurückgeführt werden sollten.

Unauffindbarkeit des Äthers Was nun den Bewegungszustand des Äthers relativ zur Materie betraf, wurden prinzipiell zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen, welche bereits vor den Arbeiten Maxwells diskutiert wurden: die von Fresnel (1816) und später von Hendrik Antoon Lorentz (1892a) vertretene Vorstellung eines ruhenden bzw. nur teilweise mit einem bestimmten Koeffizienten mitgeführten Äther,Whittaker (1951), 107ff und die von George Gabriel Stokes (1845) und später von Hertz (1890b) angenommene vollständige Mitführung des Äthers durch die Materie.Whittaker (1951), 386f

Fresnels Theorie wurde bevorzugt, weil mit seiner Theorie die Aberration des Lichtes und viele optische Phänomene erklärt werden konnten und weil sein Mitführungskoeffizient von Hippolyte Fizeau (1851) mit dem Fizeau-Experiment sehr genau gemessen wurde. Hingegen konnte sich die Theorie von Stokes nicht durchsetzen, da sie sowohl der Aberration als auch dem Ergebnis des Fizeau-Experiments widersprach – die deswegen eingeführten Hilfshypothesen waren nicht überzeugend oder überhaupt widersprüchlich.Janssen/Stachel (2004), 4–15

mini|A. A. Michelson

Albert A. Michelson (1881) versuchte die Relativbewegung von Erde und Äther („Ätherwind“), welche nach Fresnels Theorie hätte auftreten müssen, direkt zu messen. Er konnte jedoch mit seiner Interferometeranordnung das von ihm erwartete Ergebnis nicht feststellen und interpretierte das Ergebnis als Beleg für die These von Stokes (vollständige Äthermitführung durch die Erde) und damit gegen die Theorie Fresnels.Whittaker (1951), 390f Lorentz (1886) wies jedoch nach, dass Michelson bei den Berechnungen ein Rechenfehler unterlaufen war, woraus sich ergab, dass das Experiment zu ungenau war, um im Rahmen der Messgenauigkeit überhaupt ein positives Messresultat zu erbringen, was von Michelson selbst zugegeben wurde.Whittaker (1951), 386ff Da die fresnelsche Theorie nun doch nicht widerlegt schien, führten Michelson und Edward W. Morley (1886) ein Experiment durch, bei dem die Messungen Fizeaus zum fresnelschen Mitführungskoeffizienten überprüft werden sollten. Tatsächlich gelang die Bestätigung und entgegen seiner Aussage von 1881 war Michelson diesmal der Meinung, dass damit der ruhende Äther Fresnels bestätigt sei.Janssen/Stachel (2004), 18–19 Dies erforderte allerdings eine Wiederholung des Michelson-Experiments von 1881, wobei zur großen Überraschung von Michelson und Morley dieses heute berühmte Michelson-Morley-Experiment das erwartete positive Resultat abermals nicht lieferte. Wieder schien das Experiment den eigentlich bereits widerlegten stokesschen Äther zu bestätigen und stand im krassen Gegensatz zu dem Versuch von 1886, welcher für den fresnelschen Äther sprach.Janssen/Stachel (2004), 19–20