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Der Begriff Zeit in der Physik

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Physics

University, School

Realschule Ulm

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2+, 2013

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  1. Einleitung


In der Philosophie wird Zeit oft als etwas Abstraktes angesehen, dessen Existenz fragwürdig ist. Die Physik ist dort pragmatischer. Hat jeder am Tag gleich viel Zeit, ist eine Sekunde immer gleich lang oder existiert „Zeit“ nach dem Ende der Menschheit weiter? Während Philosophen über diese Fragen Jahrtausende diskutieren gibt die Physik klarere Antworten.

Im Folgenden werden wir versuchen Ihnen das Thema der Physikalischen Zeit etwas näher zu bringen und Sie von Philosophie zu konvertieren.

  1. Hauptteil

2.1 Definition

Die Zeit ist eine der sieben Grundgrößen des Kosmos und damit in der Physik. Sie bezeichnet einerseits einen Termin oder Zeitpunkt, andererseits aber auch die Dauer von Vorgängen. In der Physik wird die Zeit benutzt um diese Vorgänge und Zeitpunkte mithilfe einer Zeitkoordinate zu bestimmen. Zeit ist somit nicht etwa ein seelisches Gefühl mit eventuell philosophischen Gedanken über den Gang der Welt, sondern eine physikalische Größe mit der Bezeichnung „t“ und somit eine in der Physik eindeutige und messbare Größe.


2.2 Herkunft der Messgröße „Zeit“

Im Folgenden werden wir uns damit beschäftigen, wie die Messgröße „Zeit“, wie wir sie heute kennen historisch entstanden ist.

2.2.1 Stonehenge

Schon früh war den Menschen bekannt, dass die Einheit Zeit irgendwie gemessen werden musste. Als Beispiel dafür haben wir das etwa 1500 v. Chr. erbaute Stonehenge gewählt. Dieses zweifelsohne religiöse Bauwerk hatte ebenfalls einen praktischen Hintergrund, nämlich die Ermittlung der Jahresszeiten und eines Jahres.

Diese in der Nähe des britischen Salisbury stehende Steinkonstruktion war so aufgebaut, dass man in der Mitte Stehend, mit Blickrichtung auf einen der äußeren vier Steine, das Hauptfest der Erbauer, den Sonnenaufgang der Sommersonnenwende, sehen konnte. Auch die anderen äußeren vier steine waren so aufgebaut, dass man mit ihnen Sonnenauf- sowie Untergang der Sommer- und Wintersonnenwende in der Richtigen Blickrichtung sehen konnte (vgl. Goudsmit, 1970, S. 53 ff.).

Alles in allem, war dies aber eine sehr primitive Messung der Zeit. Grundsteine für die noch heute gültige Messung wurden viel früher, an einem anderen Ort der Welt gelegt.



2.2.2 Die Sumerer

Die Sumerer waren eine der ersten bekannten Hochkulturen der Menschheit. Sie lebten etwa um 4.000 v.Chr. in Mesopotamien, ein Gebiet zwischen den Flüssen Euphrat und Tigris im heuteigen Irak. Sie waren für schon damals äußerst hoch entwickelt, so besaßen Sie schon damals eindrucksvolle Kenntnisse im Bereich der Mathematik, Astronomie und Literatur.

Sie gelten als Erfinder der ersten Schriften, bauten bereits Bibliotheken und Schulen und hatten ein ausgeprägtes Rechtssystem (vgl.

Zurück beim Thema Zeit als Messgröße mussten schon früh festgestellt werden, dass manche Zeiteinheiten wie z.B. das Jahr (eine Umdrehung der Erde um die Sonne) oder der Tag (eine Umdrehung der Erde um die eigene Achse) gegeben und astronomisch nachvollziehbar waren, jedoch weitere Einteilungen wie bspw. Monate oder Stunden scheinbar willkürlich, aber möglichst p.....[read full text]

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Ursprünglich wurde die Sekunde über die Rotation der Erde definiert, welche zwar für die exakte Bestimmung der Stunden und Tage in Anspruch genommen werden konnte, für die eigentliche Bestimmung der Sekunde jedoch zu ungenau war. In der Physik wird daher seit 1967 die Sekunde aus atomaren Messungen abgeleitet und seit jeher mithilfe von Atomuhren ermittelt.

Ihr Zahlenwert wurde so gewählt, dass die Sekunde mit der Definition übereinstimmte. Die Sekunde ist somit ein willkürliches, von Menschen entwickeltes Zeitintervall.

Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.“

Dieser Wert der Sekunde basiert auf Messungen einer Atomuhr und wird daher als „Atomsekunde“ bezeichnet (vgl.

Atomuhren geben für alle Funkuhren den Takt vor und berechnen die Zeit auf 15 Stellen hinter dem Komma genau. Die Messung dieser Zeit erfolgt aufgrund der Verdampfung von sogenannten Cäsiumatomen, die nach dem Prozess magnetisch sortiert werden und in einen Hohlraumresonator gelangen. Mithilfe von Mikrowellen werden die Atome bestrahlt, sodass diese nach dem Verlassen des Resonators ihren Zustand gewechselt haben.

Die veränderten Atome werden wiederum nach ihrer Frequenz sortiert. Bei einer bestimmten Frequenz ist die aufgefangene Menge am größten und wird gehalten und anschließend gezählt, sodass nach 9 192 631 770 dieser Perioden eine Sekunde gezählt ist. Mithilfe dieses präzisen Vorgangs kann eine Atomuhr innerhalb einer Toleranz von nur 0.000 01 Promille arbeiten (vgl. Goudsmit/Claireborne, 1970, S108 Z14 ff).

2.3.2 Verwendbarkeit in der Physik

Die Zeit findet heutzutage in fast allen physikalischen Phänomenen Verwendung. So kann man in der Kinematik mithilfe der Grundeinheit der Zeit, der Sekunde, ganz alltägliche Dinge berechnen, wie z.B. die Geschwindigkeit eines Autos, die sich in gleichförmige Bewegung und beschleunigte Bew.....

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2.4.1 Allgemeines

Wir haben bis hierher geklärt wie sich unsere Maßeinheiten für die Zeit herleiten. Auf die Physik bezogen, wird „Zeit durch Bewegung im Raum gemessen(…). Doch Bewegung Ihrerseits wird durch Zeit und Raum gemessen:(…)“ (vgl. Goudsmit, 1970, S 135 Z.1 ff.).

Die moderne Physik beschäftigt sich also stets mit dem Zusammenhang zwischen Raum, Zeit und Bewegung. Der erste bedeutende Physiker in unserer Reihe ist Aristoteles.

2.4.2 Aristoteles

Der griechische Philosoph Aristoteles lebte in etwa von 384 v. Chr. bis 322 v. Chr Er war Philosoph, Gelehrter, Wissenschaftler, Erzieher und Lehrmeister. Alexander der Große war sein Schüler, den er mehrere Jahre in den verschiedensten Fächern unterrichtete. Er gilt bis heute als einer der bedeutendsten und einflussreichsten Philosophen der Antike (vgl.

Aristoteles war einer der ersten Menschen die Zeit definierten:


„Wir erfassen Zeit nur wenn wir erkennbare Bewegungen haben. Wir messen nicht nur die Bewegung durch die Zeit sondern auch die Zeit durch die Bewegung, da beide einander definieren“

(vgl. Goudsmit, 1970, S 136 Z.33 ff.).


Dieses Paradoxon, sollte noch vielen Menschen im Laufe der kommenden Jahrhunderte Kopfzerbrechen bereiten.

Aristoteles jedoch ging noch einen Schritt weiter und machte sich mehr Gedanken und versuchte die „Bewegung“ mit der Hilfe von „gesunden Menschenverstand“ zu definieren. Um eine Bewegung zu bekommen, müsse immer ein Anstoß von außen kommen. Allerdings kommt auch alles, wenn dieser Impuls vorüber ist auch wieder zum Stehen. Eine Kutsche beispielsweise fährt nur los, wenn ein Pferd daran zieht.

Hört das Pferd auf zu ziehen so bleibt auch der Wagen stehen. (vgl. G.....

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Galilei erkannte, dass die Erde nicht im Universum ruht, sondern mit hoher Geschwindigkeit durch das Weltall rotieren kann, ohne dass wir herunterfallen müssten, wenn wir den Kontakt zum Boden verlieren. Er schuf damit das erste Relativitätsprinzip und stützte somit das kopernikanische Modell. Kopernikus hatte zuvor gezeigt, dass die Planetenbahnen viel einfacher zu erklären sind, wenn man nicht die Erde, sondern die Sonne in den Mittelpunkt stellt.

Mit der Verbreitung dieser Erkenntnisse, die dem Weltbild der Bibel widersprach, wuchs auch die Beunruhigung der katholischen Instanzen. 1615 wurde Galilei vor dem Inquisitionsgericht in Rom zitiert, welches ihn als Häretiker bezeichnete und seine Erkenntnisse als Irrtum verurteilte. Galilei wurde damit die Verbreitung bis auf weiteres untersagt. Erst mit dem Papstwechsel konnte er 1632 die kirchliche Zustimmung zur Veröffentlichung der Erkenntnisse über die Weltsysteme erhalten, die ihm jedoch im selben Jahr wieder abgeschworen und wenige Monate später in eine Verbannung umgewandelt wurden.

Seit jeher brauchte die Katholische Kirche noch mehr als ein Jahrhundert, um 1757 die Lehre von Galilei anzuerkennen und diese aus dem Index der verbotenen Bücher zu nehmen. Galilei begründete mit seinen Lehren ein neues Zeitalter der Wissenschaftslehre durch eine Methodenänderung. Er fragt nicht nach dem "Warum" eines Ablaufprozesses sondern nach dem "Wie" (vgl. ätsprinzip.info)

2.4.4 Isaac Newton

Isaac Newton, Sohn eines Landwirtes aus dem englischen Woolsthorpe wird 1642. Er studierte am Trinity College in Cambridge und brachte maßgebebliche Erkenntnisse im Bereich der Optik, Bewegung und Zeit. Newton hatte sein Leben in vollen Zügen der Wissenschaft verschrieben, war streng religiös und litt zeitweise unter starken Paranoia. Er war Finanzminister und wurde als erster Wissenschaftler zum Ritter geschlagen (vgl.

Bis Newton 1687 sein Werk „Principia“ veröffentlicht, war in der Wissenschaft allgemein anerkannt, dass Bewegung sich, wie bei Aristoteles, durch Zeit und Geschwindigkeit definiert. Galileo brachte nun die Beschleunigung mit ein. Das ein Körper natürlicherweise zum Stehen kommt wiederlegte Newton unter Berücksichtigung der Reibung. Würde diese Kutsche im luftleeren Raum auf einer Reibungsfreien Straße befinden, so würde sie niemals zum Stillstand kommen.

Somit belegte er, dass nicht Geschwindigkeit, sondern die Veränderung der Geschwindigkeit, die Beschleunigung, proportional zur Kraft sei. (vgl. G.....

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Die spezielle Relativitätstheorie formulierte Einstein vor der allgemeinen Relativitätstheorie, ist jedoch vollständig in der allgemeinen Relativitätstheorie enthalten. Die spezielle Relativitätstheorie ist ein Spezialfall der allgemeinen Relativitätstheorie und befasst sich mit Inertialsystemen, also Bezugssystemen, in denen keine Kräfte wirken z.B. die Schwerelosigkeit im All, oder der Freie Fall.

Sie führte zu einer Neufassung der Begriffe Raum und Zeit und beruht auf dem Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und auf dem Relativitätsprinzip, das die Unmöglichkeit der Bestimmung einer absoluten Bewegung beschreibt.

D.h. ein sich bewegendes Objekt kann immer nur in Relation zu etwas anderem gesehen werden.

Eine der grundlegenden Aussagen der Speziellen Relativitätstheorie ist, dass Masse lediglich eine andere Form der Energie darstellt. Die Überlegungen über Raum und Zeit leitete Einstein über die Formel E=MC^2 ab (Energie ist gleich der Masse mal der Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat). Diese Formel kann uns berechnen lassen, wie viel Energie nötig ist, um ein Objekt auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. (vgl. ätsprinzip.info)

Die allgemeine Relativitätstheorie untersucht relativ zueinander beschleunigte Bezugssysteme. Sie beschreibt die Wechselwirkung zwischen Materie einerseits und Raum und Zeit andererseits. Sie deutet Gravitation als geometrische Eigenschaft der gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit.

Die Relativitätstheorie führte zu einem neuen wissenschaftlichen Verständnis von Raum und Zeit und veränderte das newtonsche Weltbild. Einsteins Theorie rüttelte damit an den Fundamenten der Physik, wenn nicht sogar der gesamten Welt. Die absolute Angabe von Orts- und Zeitangaben verliert endgültig ihre Bedeutung. Einstein zeigte, dass es nur sinnvoll ist, zeitliche und räumliche Maßstäbe zweier Beobachter relativ zueinand.....

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