Einsteinlift

Albert Einstein hat sich die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Gravtiation, Beschleunigung und konstanter Lichtgeschwindigkeit am Beispiel eines Liftes überlegt. Auch wenn die Invarianz der Lichtgeschwindigkeit (noch) kein Thema ist, leistet der Einsteinlift gute Dienste. In unserem Gedankenexperiment gehen wir von einem Lift aus, der sich vertikal in einem homogenen Gravitationsfeld bewegt. Im Innern des Liftes hängen ein Spielball und eine Bleikugel an je einer Federwaage. Zudem steht ein mit Wasser gefüllter Zylinder auf einer Waage. Eine Sonde erlaubt uns, den Druck an verschiedenen Orten im Wasser zu messen.

Solange der Lift mit konstanter Geschwindigkeit nach oben oder unten fährt, zeigen die drei Waagen den gleichen Wert wie im Stillstand an. Die angezeigten Werte verändern sich nur in den Beschleunigungsphasen des Lifts. Zur Erklärung analyseren wir die Situation einmal vom Liftschacht aus (ruhender Beobachter) und einmal vom Lift aus (mitbeschleunigter Beobachter). Der ruhende Beobachter setzt die Impulsbilanz folgendermassen an

[math]I_{pz}+mg_z=m a=ma_{Lift}[/math]

Umgeformt nach der Stärke des an die Waage abfliessenden Impulsstromes ergibt

[math]I_{pz}=ma_{Lift}-mg_z[/math]

Der erste Term beschreibt die Impulsstromstärke bezüglich der Waage, der zweite gibt die Grösse der Impulsänderungsrate an und der dritte ist gleich minus die Gewichtskraft. Weil schwere und träge Masse nicht unterschieden werden können, dürfen die beiden Terme rechts vom Gleichheitszeichen zusammengefasst werden

[math]I_pz=ma_{Lift}-mg_z=m(a_{Lift}-g_z)=-m\tilde g_z[/math]

Im Lift drin lässt sich keine Bewegung feststellen. Einzig die Anzeigen der drei Waagen verändern sich synchron. Wenn wir aus dieser Beobachtung schliessen, dass sich das Gravitationsfeld verändert (transformiert), denken wir wie Einstein. Die Gravitationsfeldstärke im Lift ist immer gleich der Gravitationsfeldstärke bezüglich der Erde minus die Beschleunigung des Liftes gegen die Erde. Oder allgemeiner

[math]\vec g_2=\vec g_1-\vec a_{2\rightarrow 1}[/math]

Sobald zwei Systeme gegeneinander beschleunigt sind, unterscheiden sich die beiden Gravitationsfeldstärken um den Betrag der Relativbeschleunigung. Nach Einstein ist weder die eine noch die andere Feldstärke natürlicher.

Erfährt der Einsteinlift eine konstante Beschleunigung, misst der mitbeschleunigte Beobachter im Wasser einen Druckanstieg gemäss der hydrostatischen Formel

[math]\Delta p=\rho\tilde g\Delta h[/math]

Befindet sich der Lift im freien Fall, verschwindet das Gravitationsfeld bezüglich des Lifts vollständig. Im freien Fall wirkt nur das Gravitationsfeld der Erde auf den Lift ein. Die Beschleunigung des Lifts ist dann gleich der Graviatationsfeldstärke. Der ruhende Beobachter schreibt allen Körpern im freien Fall eine Beschleunigung zu, die gleich der Gravitationsfeldstärke der Erde ist. Der mitbeschleunigte Beobachter führt ein zusätzliches Trägheitsfeld ein, welches das ursprüngliche Gravitationsfeld wegtransformiert. Schwerelosigkeit bedeutet demnach nur, dass sich ein System im freien Fall befindet. Man beachte, dass hier mit freiem Fall die Abwesenheit aller Oberflächenkräfte gemeint ist und nicht etwa nur eine Bewegung nach unten. Ein Satellit oder ein im Vakuum geworfener Körper befinden sich gemäss dieser Definition ebenfalls im freien Fall.

Will man auf der Erde Schwerelosigkeit erzeugen, muss man das entsprechende System die gleiche Bewegung wie ein im Vakuum fliegender Körper vollführen lassen. Heute wendet man zwei Verfahren an, den freien Fall in einem evakuierten Schacht und den Parabelflug.

Weblinks

• Fallturm
• Parabelflug