Woher wissen wir, dass die Gesetze der Physik in allen Inertialsystemen unveränderlich sind?

Der Kommentar von Lefaroundabout ist wichtig. Während uns normalerweise beigebracht wird, dass wir die Wissenschaft nutzen, um Dinge zu wissen , ist das eigentlich keine korrekte Aussage. Die Wissenschaft ist ein sehr mächtiges Werkzeug zum Erstellen von Modellen, die verwendet werden können, um fundierte Vorhersagen darüber zu treffen, wie sich ein System verhalten wird, und sie basiert auf der Idee falsifizierbarer Hypothesen, aber das bedeutet nicht, dass wir uns nie irren. Es bedeutet nur, dass es möglich ist, unsere Hypothesen zu widerlegen.

Ihr Beispiel, wie Sie die Geschwindigkeiten addieren, ist ein großartiges Beispiel. Es ist schrecklich intuitiv, dass sich Geschwindigkeiten addieren. Wenn ich in einem Zug sitze und den Baseball werfe, sieht ein Beobachter am Boden, wie der Baseball mit der Geschwindigkeit des Zuges plus der Geschwindigkeit meines Wurfes durch die Luft rast. Es wäre sehr natürlich anzunehmen, dass Licht sich genauso verhält. Tatsächlich glaube ich, dass die meisten Menschen glauben, dass Licht so funktioniert, bis ihnen von einem Naturwissenschaftslehrer etwas anderes gesagt wird.

Lassen Sie uns nun die Maxwell-Gleichungen einführen. Die Maxwell-Gleichungen leisten bemerkenswert gute Arbeit bei der Vorhersage, wie sich Elektrizität und Magnetismus verhalten. Sie können versuchen, sie zu fälschen, indem Sie seltsam gestaltete Experimente bauen, um magnetische Monopole zu isolieren und so weiter, aber wir haben festgestellt, dass seine Gesetze einfach gut halten (zumindest bis zur Quantenmechanik, die ein eigenes Tier und eine eigene Geschichte ist). . Nach vielen Tests kam die wissenschaftliche Gemeinschaft zu dem Konsens, dass Maxwells Gleichungen verdammt zuverlässig sind. Ich kann nicht sagen „sie wussten, dass seine Gleichungen wahr sind“, denn das wäre eine Übertreibung, aber ihr Vertrauen war sehr groß.

Es gibt jedoch eine Eigenart. Maxwells Gleichungen sagen eine "Lichtgeschwindigkeit" voraus. Aber wenn Sie zu unserem Baseball-Beispiel zurückkehren, sehen wir, dass der Baseball in verschiedenen Trägheitssystemen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fliegt. Während ich mit konstanter Geschwindigkeit im Zug fahre, betrachte ich die Welt aus einem Trägheitsrahmen, und ich sehe den Ball mit einer Geschwindigkeit. Während Sie auf dem Boden stehen und still stehen, betrachten Sie die Welt aus einem Trägheitsrahmen und sehen den Ball mit einer anderen Geschwindigkeit. Die Maxwellschen Gleichungen haben einfach keinen Platz dafür. Sie sagen nur, „Licht hat eine feste Geschwindigkeit“, und überlassen es den Wissenschaftlern, darüber nachzudenken, was damit los ist.

Ein intuitiver Ansatz besteht darin, anzunehmen, dass sich das Licht durch ein Medium bewegt und die Lichtgeschwindigkeit sich auf dieses Medium bezieht. Dies ist intuitiv, wenn Sie sich Effekte wie das Ziehen eines Baseballs ansehen. Die Luftwiderstandskräfte eines Baseballs hängen nicht davon ab, wie schnell er sich in Bezug auf mich oder Sie bewegt, sondern davon, wie schnell er sich in Bezug auf den Wind bewegt. Es wurde die Theorie aufgestellt, dass sich Licht in einem sogenannten „leuchtenden Äther“ fortbewegen könnte, genau wie unser Baseball durch die Luft reist. Damit ist das Rätsel der Maxwellschen Gleichungen gelöst: Die „Lichtgeschwindigkeit“ ist die Lichtgeschwindigkeit in Bezug auf den Äther.

Das war also eine vernünftige Hypothese. Genau wie Ihre Hypothese "Geschwindigkeiten addieren" führt dies zu natürlichen Denkweisen über Licht. Da dies natürlich eine wissenschaftliche Hypothese ist, wurde sie so konzipiert, dass sie falsifizierbar ist. Wenn man nachweisen könnte, dass die Bewegung des Lichts nicht so wirkte, als gäbe es einen privilegierten Bezugsrahmen (den Rahmen des Äthers), dann wäre man in der Lage, diese Hypothese zu widerlegen. Und das taten sie.

Das berühmteste Experiment, das die Äthertheorien widerlegte, war das Michaelson-Morley- ExperimentExperiment. Durch den geschickten Einsatz von Interferometrie waren sie in der Lage, die Lichtgeschwindigkeiten in Richtung der Erdumlaufbahn um die Sonne mit denen zu vergleichen, die sie überquerten. Ihr Ziel war es, festzustellen, ob der Äther stationär war oder ob er irgendwie von massiven Objekten wie der Erde „mitgezogen“ wurde (so wie Luft hinter einem großen Fahrzeug Luftzüge bildet). Sie stellten merkwürdigerweise fest, dass es keinen nachweisbaren Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit in den beiden Richtungen gab. Wenn der Äther tatsächlich existierte (was sie damals glaubten), war er so an die Bewegung der Erde gebunden, dass wir ihn nicht erkennen konnten. Es ist, als würden Sie hinter einem großen Fahrzeug ziehen, und anstatt zu spüren, wie der Wind Sie vorwärts zieht, fühlt es sich eher so an, als wären Sie in Beton eingeschlossen und würden mit Gewalt mitgerissen!

Viele andere Experimente fanden ebenfalls Ergebnisse wie dieses, was Äthertheorien sehr unzuverlässig erscheinen ließ. Sie forderten einfach zu viel "Handwinken". Daraus entwickelten wir die Lorentz-Boosts, die Modifikationen der Maxwell-Gleichungen waren, die sehr effektiv bei der Vorhersage der Ergebnisse solcher Experimente waren, aber die Gleichungen schrecklich hässlich machten. Die Schönheit der Maxwellschen Gleichungen verschwand unter den Lorenz-Transformationen.

Also kommt jetzt Einstein ins Spiel, der davon ausgeht, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Referenzsystemen gleich sein muss. Ich stimme Ihrer ursprünglichen Meinung zu, dass es eine seltsame Sache ist, einfach anzunehmen . Aber es war genial. Als er mit der Mathematik fertig war, wurden die hässlichen Lorenz-Boosts, die Maxwells Gleichungen verunreinigten, ordentlich in dieser Annahme versteckt, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Referenzrahmen gleich sei. Es hat sehr gute Arbeit geleistet, um eine Menge Hässlichkeit in den Theorien zu beseitigen. Den Leuten hat es gefallen.

Mehr als gemocht zu werden, war es wissenschaftlich: es war falsifizierbar. Wenn wir jemals zwei Trägheitssysteme mit unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten gefunden hätten oder wenn wir herausgefunden hätten, dass es keine Zeitdilatation gibt, hätte das Einsteins Theorien widerlegt, und wir würden ihn wahrscheinlich nicht so verehren, wie wir es heute tun. In Hunderten (wenn nicht Tausenden) von Experimenten haben wir jedoch festgestellt, dass Einsteins Theorie außerordentlich gut darin ist, einige wirklich unangenehme und nicht intuitive Effekte vorherzusagen.

Damit rechtfertigen wir seine Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit nachträglich in allen Inertialsystemen gleich ist. Wir haben festgestellt, dass die Ergebnisse dieser Annahme enorm nützlich und effektiv sind. Damals wurde dies damit begründet, dass es eine elegante Lösung für ein sehr schwieriges Problem sei und neue falsifizierbare Hypothesen zum Testen hervorbringe (wie es jede gute wissenschaftliche Theorie tut).