Eine zentrale Aussage der Speziellen Relativitätstheorie besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit immer denselben Wert von 300 000 Kilometer pro Sekunde besitzt – egal, von welchem System aus man sie misst. Dies widerspricht unserer Alltagserfahrung, die jeder schon gemacht hat. Hierzu setze man sich in sein Auto, fahre mit 120 Kilometer pro Stunde auf der linken Spur einer Autobahn und überhole einen 90 Kilometer pro Stunde schnell fahrenden LKW. Dies beiden Geschwindigkeiten würden beispielsweise eine Radarkontrolle am Straßenrand messen. Aus unserer Sicht bewegt sich unser Auto relativ zu uns gar nicht, wir sitzen schließlich fest in unseren Sitzen. Gleichzeitig ist es 30 Kilometer pro Stunde schneller als der LKW. Umgekehrt würde ein entgegenkommender LKW von uns aus gemessen mit 210 Kilometer pro Stunde an uns vorbeirasen. Die Geschwindigkeiten werden also je nach Fahrtrichtung einfach subtrahiert oder addiert – so jedenfalls sieht es die klassische Physik Isaac Newtons vor.

Dieses einfache Gesetz gilt nach der Speziellen Relativitätstheorie nicht mehr. Hier werden die Relativgeschwindigkeiten nach einer komplizierteren Formel berechnet. Die Abweichungen vom klassischen Fall wachsen mit zunehmender Geschwindigkeit und erreichen bei der Lichtgeschwindigkeit eine seltsame Konsequenz: Egal, wie schnell und aus welcher Richtung man sich einem Lichtstrahl nähert, er bewegt sich zu uns immer mit 300 000 Kilometer pro Sekunde. Setzt man diese physikalische Annahme konsequent fort, wie es Einstein im Jahr 1905 getan hat, so bekommen Zeit und Raum völlig neue Eigenschaften. Eine Folge ist die so genannte Längenkontraktion, wonach schnell bewegte Körper in Bewegungsrichtung kürzer sind als ruhende. Eine andere ist die Äquivalenz von Masse und Energie, die sich in der wohl berühmtesten Formel aller Zeiten E = mc² äußert. Die dritte Vorhersage der Speziellen Relativitätstheorie betrifft die bereits erwähnte Zeitdilatation.

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“). 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.

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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