Einsteins Relativitätsprinzip.
Vortrag in der Treptower Sternwarte.

Wie es in der Mathematik keinen besonderen Königsweg gibt, so lassen sich auch die Einsichten in gewisse Grundfragen der Physik nicht ohne Kenntnis bestimmter naturwissenschaftlicher Tatsachen, nicht ohne Zuhilfenahme der Mittel der höheren Mathematik klar gewinnen. Was für das leibliche Auge das Mikroskop und das Fernrohr sind, das bedeuten in gewisser Beziehung Differential- und Integralrechnung für das geistige Auge. Will oder muß man auf diese Stützen verzichten, so kann man nicht erschöpfend erklären, sondern nur andeutend hinweisen.

In dieser Zwangslage befand sich gestern Prof. Dr. Albert Einstein, das jüngste Mitglied unserer Akademie der Wissenschaften, als er vor einer verhältnismäßig großen Zahl von Zuhörern in der Treptower Sternwarte die „Relativität der Bewegung und Gravitation“ erläutern wollte. Der Schöpfer oder Mitschöpfer des Relativitätsprinzips versuchte – unter Verzicht auf alle mathematischen Ableitungen – klarzulegen, wie Ort und Zeit nicht voneinander zu trennen, wie Längen und Zeiten vom Bewegungszustand abhängig sind; daraus folgt die Abhängigkeit gleicher Natur für alle daraus abgeleiteten anderen Begriffe. Es ist einleuchtend, daß wir von einer Bewegung erst dann eine rechte Vorstellung haben, wenn wir sagen, worauf sie bezogen ist. Erst dann kann die Bezeichnung Ruhe oder Bewegung einen Sinn haben. Es kann dabei gleichgültig sein, ob ein System selbst oder seine Umgebung in entgegengesetzter Richtung bewegt ist. Blicke ich vom Karussell aus auf einen Baum, so scheint sich dieser zu bewegen. Sitzt man in einem gut gefederten, ruhig fahrenden D-Zug, so ist es für gewöhnlich nicht möglich, zu bestimmen, ob man sich bewegt. Sieht man zum Fenster hinaus und erblickt einen zweiten Zug, so scheint der andere zu fahren. Nur Aenderungen der Geschwindigkeit, rasches Anfahren oder Bremsen bemerkt man, ferner Krümmungen der Bahn, da man durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrückt wird. Auch die Bewegung der Erde in ihrer Bahn um die Sonne ist nicht mit unbedingter Sicherheit zu erkennen. Alle Bewegungen sind relativ.

Einstein zeigt in einer auch dem Laien verständlichen Weise, wie man mit Hilfe eines sogenannten Koordinatensystems sich die Bewegung veranschaulichen kann. Mit genügender Annäherung kann man die Erde selber als ein solches Koordinatensystem wählen. Es bedarf keiner übermäßigen Ueberlegung, um zu begreifen, daß mit Bezug auf ein gegen das ursprüngliche Bezugsystem (Erdboden) gleichförmig bewegtes System (Wagen) die Gesetze des Geschehens die gleichen sind, wie mit Bezug auf das ursprüngliche System (Erde). Wir haben hier das Relativitätsprinzip der gleichförmigen Bewegung, das Relativitätsprinzip im engeren Sinne. Gilt es aber auch – so fragt Einstein weiter – für die ungleichförmige, für die beschleunigte Bewegung? Im ersten Augenblick wird man die Frage verneinen. Aber Einstein zeigt, indem er, von zwei verschiedenen Bezugssystemen aus, das Fallen von Körpern beobachtet, daß der Beschleunigung ebenso wenig eine unbedingte physikalische Bedeutung zukommt, wie der Geschwindigkeit (der gleichförmigen Bewegung). Dasselbe Bezugssystem ist mit gleichem Recht als beschleunigt oder als nicht beschleunigt anzusehen; je nach der gewählten Auffassung hat man dann aber ein Schwerefeld als vorhanden anzusetzen, das zusammen mit dem eventuellen Beschleunigungszustand des Systems die Relativbewegung freibeweglicher Körper gegen das Bezugssystem bestimmt. Fast unbewußt entschlüpfen dem Vortragenden, als er die Verhältnisse im beschleunigten System klarlegt und auf dessen Uebereinstimmung mit dem Schwerefeld (Gravitationsfeld) hinweist, Ausdrücke wie Potential. Wir fühlen, wie durch die Relativitätstheorie im weiteren Sinne auch die Newtonsche Gravitationstheorie erweitert wird.

Gibt es nun einen Prüfstein für die Richtigkeit dieser Anschauungen? Der Lichtstrahl oder vielmehr seine Geschwindigkeit muß das Kriterium abgeben. Nicht nur im beschleunigten System, auch im Gravitationsfeld muß er gekrümmt verlaufen. Seine Ablenkung (Aberration) wird zwar sehr gering, aber immerhin unsichtbar sein. ¹⁾ Aufnahmen von Sternen, die neben der Sonne erschienen, zur Zeit der Sonnenfinsternis, können Aufschluß geben. Freilich kann die Ablenkung nur außerordentlich klein sein, bei der Sonne 0,85 Bogensekunden, bei Jupiter gar nur 1/100 Bogensekunde. Mit Hilfe empfindlicher Apparate läßt sich aber eine solche Messung durchführen. Im Auftrage der Akademie der Wissenschaften sollte der Astronom Dr. Freundlich während der letzten Sonnenfinsternis solche Messungen durchführen. Aber der Krieg verhinderte diese Forscherarbeit, die für unsere Erkenntnistheorie nicht minder wichtig ist, als für die Fortentwicklung der Physik. Dr. Freundlichs kostbaren astronomischen Apparate wurden in Odessa beschlagnahmt, ruhen wahrscheinlich dank den „Kulturträgern des Ostens“ auf dem Meeresgrund. Aus Beobachtungen bei Sonnenfinsternissen Schlüsse über die Gültigkeit des Relativitätsprinzips zu ziehen, müssen wir uns vorläufig versagen. ²⁾ Aber eine andere optische Erscheinung, das sogenannte Dopplersche Prinzip, kann die Entscheidung liefern.

Wenn es auch nur Andeutungen waren, die Einstein – in der knappen Spanne einer Stunde – geben konnte, so hatte es doch einen hohen Reiz, hineinzublicken in die Gedankenarbeit unserer modernen Physiker, zu sehen, wie sie unser Weltbild – wenn auch nicht einfacher – so doch einheitlicher gestallten wollen. el.

Quelle: Vossische Zeitung, Donnerstag, 3. Juni 1915, Nr. 279, Abendausgabe

Einstein‘s Principle of Relativity.
Speech in the Treptow Observatory.

There is no special silver bullet in mathematics and also the insights in certain basic questions of physics cannot be clearly won without any knowledge of certain scientific facts and without the help of means of higher mathematics. The visible realities are the microscope and the telescope, however, the unvisible realities are in a certain way the differential and integral calculus. If you want to or must renounce these means you cannot sufficiently explain, but only point out suggestingly.

Prof. Dr. Albert Einstein, the youngest member of our Academy of Sciences experienced this dilemma yesterday, when he wanted to explain the „Relativität der Bewegung und Gravitation“ (Relativity of Motion and Gravitation) in the Treptow Observatory to a relatively large number of listeners. The inventor/co-inventor of the Principle of Relativity renounced all mathematical derivatives and tried to explain why place and time cannot be separated and how length and time depend on the state of motion. This means that all derived terms are dependent in the same way. It is plausible that we only have an adequate idea of the term ”motion“ if we indicate what it refers to. Only then can the terms ”silence“ or ”motion“ make any sense. However, it is not important whether a system moves itself or whether its environment is moved in the opposite direction. If I ride on a carousel and look at a tree the tree seems to move. If you sit in a well-suspensed express train which is driving calmly, it is normally not possible to say whether you move. If you look out of the window and see a second train, the other train seems to move. You can only detect changes of speed, a fast start-up or breaking as well as the train driving around curves, as the centrifugal force pushes you outwards. The motion of planet earth in its orbit around the sun can also not be detected with absolute certainty. All motion is relative.

Einstein shows in a way, which is also understandable by the general public, how motion can be demonstrated with the help of a so-called coordinate system. With a sufficient approach the earth itself can be chosen as such a coordinate system. You do not have to think a lot to understand that with reference to a system (carriage), which is evenly moved against the original reference system (embankment) the laws of the event are the same as with reference to the original system (earth). This is called the principle of relativity of uniform (even) motion, the principle of relativity in the narrower sense. However, Einstein questions, does it also apply to the non-uniform, i.e. to the accelerated motion? In the first moment the answer is no. But Einstein shows with the help of two different reference systems for falling bodies that the acceleration has as little absolute physical importance as the speed (the uniform motion). The same reference system can with the same right be considered as accelerated or not accelerated. Depending on the chosen opinion you have to consider the existence of a gravitational field which together with the possible acceleration state of the system determines the relative motion of free moving bodies against the reference system. Almost unknowingly the lecturer mentions terms like ”potential“ when he explains the relations in the accelerated system and points out its conformity with the gravitational field. We feel how also Newton’s theory of gravitation is extended by the theory of relativity in the wider sense.

Now – is there a touchstone for the correctness of these theories? The ray of light or rather its speed must be the criterium. It must be bent, not only in the accelerated system but also in the gravitational field. Its deviation (aberration) will only be very small, but at least invisible. ¹⁾ Pictures of stars, which appeared next to the sun at the time of the solar eclipse, can give information. Of course the deviation can only be extraordinarily small, in case of the sun 0.85 arc seconds, in case of Jupiter even only 1/100 arc second. However, with the help of sensitive devices such measurement can be performed. On behalf of the Academy of Sciences the astronomer Dr. Freundlich was ordered to perform such a measurement during the last eclipse of the sun. However, war came in between and hindered such research work, which for our epistemology is equally important as for the development of physics. Dr. Freundlich‘s valuable astronomical devices were seized in Odessa and – thanks to the ”cultural institutions of the east“ are probably laid to rest on the seabed. We therefore have to admit that observations at solar eclipses can at the moment not bring any findings about the validity of the principle of relativity. ²⁾ However, another optical appearance, the so-called Doppler Effect, can be the foundation for the decision.

Although Einstein could only give hints in this short time of only an hour, it had a high attraction, to get an insight into the thoughts of our modern physicists, to see, how they want to shape our picture of the world – not simpler but more uniform. el.

Source: Vossische Zeitung, Thursday, June 3, 1915, No. 279, Evening Edition