Relativitätstheorie in der Schule

Delta Phi B
 2021

 Relativitätstheorie in der Schule
 FLORIAN BERGER
 flo.berger304@gmail.com

 Zusammenfassung
 Die Relativitätstheorie, als Kapitel der Physik, wird in der Schule und auf der Universität
 oft vernachlässigt. Wie Studien zeigen, bestehen bei vielen Schülerinnen und Schülern
 und auch Lehramtsstudentinnen und –studenten (Selçuk, 2010) erhebliche konzeptio-
 nelle Verständnisprobleme. In dieser Arbeit werden Argumente für die Notwendigkeit
 des Themas in der Schule vorgestellt. Zudem werden bekannte Schülervorstellungen
 und didaktische Empfehlungen für den Unterricht aufgezeigt, wobei die Literatur dies-
 bezüglich dünn gesät ist. Mangels Studienergebnissen für die allgemeine Relativitätsthe-
 orie konzentriert sich die Arbeit vor allem auf Aspekte der speziellen Relativitätstheorie,
 die anhand von vier Schulbüchern hinsichtlich ihres Umfangs und Inhalts zu dem Thema
 untersucht werden.

1 Einleitung sollte. Da die Summe der Unterrichtseinheiten
 konstant bleibt, müssen Einsparungen in ande-
Die Relativitätstheorie zählt zur „modernen“
 ren Teilgebieten der Physik daher ein vertretba-
Physik und ist daher gemeinsam mit der Quan-
 res Ausmaß annehmen.
tenphysik und weiteren Erkenntnissen und Ent-
 Ein erstes Argument für die Wichtigkeit der Re-
deckungen des 20. und 21. Jahrhunderts jener
 lativitätstheorie bezieht sich auf das Naturver-
Bereich der Physik, der dadurch vergleichsweise
 ständnis selbst, da diese Theorie einen Teil der
spät Einzug in Schulen gehalten hat. Der vor rund
 Wirklichkeit beschreibt. Um zu verstehen, wa-
100 Jahren stattgefundene Umbruch in der Phy-
 rum das Universum genau so ist, wie es ist, ist
sik war nicht zuletzt durch eine gewisse „Er-
 diese Theorie notwendig, andernfalls würden
schöpfung“ der Inhalte der klassischen Physik
 sich Widersprüche im Naturverständnis auftun.
bedingt. Die Physik, die relativ direkt mit unse-
 Leider reduziert sich der Wirkungsbereich der
ren Sinnen erfahrbar ist, wurde soweit adäquat
 Theorie im Zusammenhang mit der Mechanik o-
beschrieben, dass sich damalige Wissenschaftle-
 der Elektrodynamik oft auf relativistische Kor-
rinnen und Wissenschaftler dazu hinreißen lie-
 rekturen (d.h. man erachtet das Verständnis von
ßen, die Physik als abgeschlossen zu erklären.
 Raum und Zeit im Sinne der Galilei-Transforma-
Umgekehrt bedeutet das für die moderne Physik
 tion als richtig genug, um sich Abweichungen da-
eine Verschiebung in eine theoretischere Be-
 von leisten zu können.) Für viele Beispiele ist das
schreibung der Natur oder in Labore. Daraus re-
 ein pragmatischer Ansatz, allerdings wird dabei
sultiert jedoch eine gewisse Unnahbarkeit der
 auf ein anderes Verständnis von Raum und Zeit
Physik für Nichtphysiker und -physikerinnen.
 verzichtet. Ebenso wichtig wie die Quantenphy-
Dazu kommt, dass die gewonnenen Erkenntnisse
 sik im Mikrokosmos geworden ist, ist auch die
der Relativitätstheorie oder auch der Quanten-
 Relativitätstheorie wichtig, um zu verstehen,
physik in starkem Widerspruch zur Intuition ste-
 welche Naturgesetze im Universum vorherr-
hen (z.B. Zeitdilatation). Zusätzlich zur er-
 schen. Eine entsprechende Reduktion der klassi-
schwerten Rechtfertigung der Alltagsrelevanz
 schen Physik im Unterricht ist daher meist durch
tritt dadurch auch noch eine neue kognitive
 eine Reduktion von Inhalten machbar, wobei
Hürde beim Lernen auf.
 konzeptionell wenig verloren geht. Im Gegensatz
Wie mit nachfolgenden Argumente aufgezeigt
 dazu, eröffnet die Relativitätstheorie die Mög-
werden soll, lohnt sich eine Auseinandersetzung
 lichkeit, neben Inhalten auch neue Denkweisen
mit der Relativitätstheorie, da sie eben funda-
 zu vermitteln.
mental für das Verständnis der Natur ist.
 Ein zweites Argument, das für den Einsatz der
 Relativitätstheorie im Schulunterricht spricht,
2 Warum Relativitätstheorie? hängt mit dem Verständnis von (Natur-)Wissen-
Eine Begründung, warum Relativitätstheorie in schaft zusammen. Neben der Vermittlung von
der Schule gemacht werden sollte, muss auch Fachinhalten gebietet der österreichische Lehr-
klären, warum diesem Thema der Vorzug gegen- plan auch eine Vermittlung des Modelldenkens
über einem anderen Thema gegeben werden

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Relativitätstheorie in der Schule BERGER
der Physik und ein Entwickeln von eigenen Mo- speziellen Relativitätstheorie“ (RIS, 2021). In-
dellvorstellungen (RIS, 2021). Der bereits ange- nerhalb dieser groben Orientierung liegt eine
sprochene Umbruch zur Zeit der Jahrhundert- tierfergehende Auseinandersetzung im Ermes-
wende bietet dafür eine ideale Gelegenheit, zu sen der jeweiligen Lehrkraft. Um abschätzen zu
demonstrieren, wie neue Modellvorstellungen können, welcher Bedeutung diesem Thema bei-
zu einem Aufschwung in der Wissenschaft ge- gemessen wird, wurden in vorliegender Arbeit
führt haben und die bekannte Physik erweitert vier Physikschulbücher der AHS-Oberstufe auf
wurde. Diesen Konzeptwechsel anhand einer Inhalt und Umfang untersucht.
neuen Theorie zu veranschaulichen, die Unzu- Folgende Titel wurden ausgewählt: Physik com-
länglichkeiten der alten Theorie aufzeigt und de- pact Basiswissen 8 (Nussbaumer, Nussbaumer &
ren Gültigkeitsbereich einschränkt bzw. klar de- Zunzer, 2019), Big Bang Physik 8 (Apolin, 2019),
finiert, lässt sich selten so gut beschreiben wie Faszination Physik (Putz & Jahn, 2019) und Phy-
mit der Relativitätstheorie. Der Modellcharakter sik 8 (Sexl et al., 2019). Die Auswahl der Bücher
der Wissenschaft kann dabei gut herausgearbei- erfolgte aufgrund ihrer Verfügbarkeit und Aktu-
tet werden. alität (d. h. Version) auf der Plattform
Ein drittes Argument für die Notwendigkeit ei- Digi4school (Digi4School Bücherregal, 2021).
ner Auseinandersetzung mit der Relativitätsthe- Dort sind diese für jedermann, jederzeit zugäng-
orie ist eine doch vorhandene Alltagsrelevanz. lich. Die Bücher sind sowohl für das Gymnasium
Diese meint einerseits technische Errungen- als auch für das Realgymnasium geeignet; die
schaften wie beispielsweise das GPS, anderer- BHS wurde in der Auswahl nicht berücksichtigt,
seits aber auch den Bereich der Science-Fiction, um Vergleichbarkeit zu schaffen. Da zudem in
der insofern alltagsrelevant ist, als dass im Medi- vielen BHS Physik nicht als Einzelfach, sondern
enkonsum dieses Genre bei Jugendlichen durch- in Kombination mit anderen Naturwissenschaf-
aus eine Rolle spielt. Wie auch die Newtonsche ten unterrichtet wird, ist es schwierig abzuschät-
Mechanik oft nicht in vollem Ausmaß berück- zen, welche Bedeutung der Relativitätstheorie in
sichtigt wird, so lässt sich das noch mehr für die diesen Schulen beizumessen ist.
Relativitätstheorie feststellen. Um interstellare Die behandelten Aspekte der Relativitätstheorie
Strecken zu durchqueren, muss beispielsweise sind in den gewählten Schulbüchern weitgehend
auf Wurmlöcher, Zeitreisen o.ä. zurückgegriffen ident und unterschieden sich vor allem im Grad
werden, da die menschliche Lebensspanne hier- der Tiefe.
für nicht ausreicht. Dies führt zu Fehlvorstellun- In der speziellen Relativitätstheorie werden
gen über Raum und Zeit und der Beschaffenheit • beide Postulate
des Universums. Wenn der Physikunterricht • Zeitdilatation
diese Themen nicht aufgreift, so ist nicht die Wis- • Längenkontraktion
senschaft prägend für die Vorstellungen über • Relativität der Gleichzeitigkeit
das Universum, sondern man überlässt das Feld • und das Verhalten von Masse
ausschließlich Romanen und Science-Fiction-Fil- thematisiert. Vorangestellt werden in allen vier
men. Schulbüchern historische Ansichten, die über die
In allen Studien, die hier angeführt werden, be- Äthertheorie und das Michelson-Morley-Experi-
richteten die Schülerinnen und Schüler über ein ment zur Entwicklung der Relativitätstheorie
außerordentlich hohes Interesse an den Themen hinführen. Die Einbettung in den historischen
der modernen Physik, insbesondere auch der Kontext greift dadurch das Modelldenken auf
Relativitätstheorie. Diesem Interesse entgegen- und bietet Möglichkeiten über den Charakter der
zukommen mag auch ein weiteres Argument da- Wissenschaft zu reden.
für sein, diese Themen stärker in den Fokus des Aus der allgemeinen Relativitätstheorie, die in
Unterrichts zu rücken. den Schulbüchern deutlich kürzer ausfällt, sind
 • Äquivalenzprinzip
3 Relativitätstheorie in Schulbüchern • Frequenzverschiebung im Gravitationsfeld
Der österreichische Lehrplan gibt über die Inten- • Zeitmessung im Gravitationsfeld
sität bzw. Tiefe der Vermittlung der einzelnen In- • und Raumkrümmung
halte in Physik wenig Auskunft. So lautet die Vor- die relevantesten Aspekte, die von den Büchern
gabe für die 12. Schulstufe des Realgymnasiums: aufgegriffen werden.
„Konzepte der speziellen Relativitätstheorie, Auf Herleitungen wird hier allerdings verzichtet
Grundidee der allgemeinen Relativitätstheorie“ und die Mathematik findet nur durch präsen-
und die des Gymnasiums nur: „Grundideen der tierte Formeln statt. Die Physik wird dabei vor

 2

Relativitätstheorie in der Schule BERGER
allem konzeptionell und phänomenologisch be- existiert bezüglich Schülervorstellungen aller-
handelt, was aber aufgrund der ansonsten not- dings sehr wenig Fachliteratur, und diese behan-
wendigen mathematischen Kenntnisse unum- delt fast ausschließlich Aspekte der speziellen
gänglich scheint. Bei der speziellen Relativitäts- Relativitätstheorie, während man für die allge-
theorie hingegen wird die Mathematik auch z.B. meine Relativitätstheorie kein vielfältiges Ange-
bei der Herleitung der Zeitdilatation aus der bot ausmachen kann. Würde man die Relevanz
Lichtuhr bemüht. des Themas durch didaktische Materialien und
Bei den ausgewählten Büchern wurden jeweils Untersuchungen abschätzen wollen, so scheint
die Anzahl der Seiten (S.) gezählt, die sich mit die Abschätzung von 11-20 Unterrichtseinheiten
spezieller Relativitätstheorie (SRT) und allge- zu hoch gegriffen. Diese Diskrepanz wirft die
meiner Relativitätstheorie (ART) befassen. Die Frage auf, ob die Schulbücher ein nicht wahrge-
jeweiligen Werte werden dann ins Verhältnis zur nommenes „Überangebot“ darstellen oder, ob
jeweiligen Gesamtseitenzahl (% gesamt) der Bu- der Stellenwert der Relativitätstheorie in der Di-
chinhalte gesetzt. Siehe dazu Tab. 1. daktik nicht erkannt bzw. entsprechend gewür-
 digt wird. Wenn die Lehrkräfte dieses Angebot
 Buch SRT ART % gesamt kaum wahrnehmen, so stellt sich die Frage, aus
 Big Bang welchen Gründen sie das tun. Da in der universi-
 34 S. 16 S. 39% tären (Lehramts-)Ausbildung die Relativitäts-
 Physik 8
 Faszination theorie nur ein Randthema ist, liegt die Vermu-
 30 S. 10 S. 29% tung nahe, dass Lehrkräfte in Bezug auf dieses
 Physik
 Physik 8 22 S. 10 S. 28% Thema nicht sicher und kompetent genug sind,
 Physik compact 17 S. 5 S. 23% um darin viel Zeit zu investieren (Villani & Pacca,
 1987; Selçuk, 2010; Scherr, Shaffer & Vokos,
 Tab. 1 – Anteil der Relativitätstheorie am Ge-
 2002).
 samtstoff der Schulbücher Schecker et al. (2018, S. 239) beschreiben zwei
 Fehlvorstellungen zur Relativitätstheorie:
Wie die Auswertung (Tab. 1) zeigt, nimmt die
 • „Es gibt einen absoluten Raum, absolute Län-
Relativitätstheorie einen gewichtigen Anteil in gen und eine absolute Zeit.“
den Schulbüchern ein, teilweise als größtes Ein-
 • „Relativistische Effekte sind optische Täu-
zelkapitel. Innerhalb der Relativitätstheorie liegt
 schungen.“
der Schwerpunkt klar auf der speziellen Relativi-
tätstheorie (SRT). In der 12. Schulstufe stehen Die Annahme der Konstanz der Lichtgeschwin-
reifeprüfungsbedingt weniger Wochenstunden digkeit als absolute Größe führt daher nicht zu
zur Verfügung als in anderen Schulstufen. Trotz- einem prinzipiellen Akzeptanzproblem bei Schü-
dem lässt sich bei 2h/Woche in der Maturaklasse lerinnen und Schülern, allerdings die daraus fol-
ein ungefähres Stundenausmaß von 50 Gesamt- gende Zeitdilatation oder Längenkontraktion.
schulstunden Physik ausmachen. Legt man die Dass es kein ausgezeichnetes Inertialsystem gibt,
Inhalte der Bücher auf die Unterrichtseinheiten ist auch leicht akzeptierbar, solange man die
um, so können dem Thema, je nach Buch, rund Physik nicht aus Sicht des anderen Bezugssys-
11-20 Unterrichtseinheiten gewidmet werden. tems erklären muss. Dass in einem bewegten
Auch wenn diese direkte Umlegung aus verschie- System aus Sicht eines ruhenden Beobachters
denen Gründen nicht praxistauglich sein mag, so die Zeit langsamer vergeht, ist eigenartig genug.
zeigt sie doch, dass genügend aufbereiteter Stoff Wechselt man die Position in das bewegte Sys-
aus den Schulbüchern zur Verfügung steht, um tem, ist die Situation ident und man muss eine
viele Stunden damit zu füllen. Wie viel Zeit tat- Erklärung liefern, wie die Zeit aus Sicht von bei-
sächlich in dieses Thema investiert wird, ist nicht den beim jeweils anderen langsamer vergehen
bekannt. Die Praxiserfahrung aus dem schuli- kann. Dabei kann die Relativität der Inertialsys-
schen Umfeld zeigt, dass zu bezweifeln ist, dass teme geopfert werden, um die Frage zu stellen,
dieses Stundenausmaß auch ausgereizt wird. wie die Zeit „wirklich“ vergeht und wer von den
 beiden Recht hat.
 Führt man das Gedankenexperiment auf der
4 Schülervorstellungen Erde aus, wählen Schülerinnen und Schüler, wie
Untersuchungen von Schülervorstellungen zum auch Machold (1982) beschreibt, gern den Erd-
Zweck der besseren Schülerorientierung und boden als absoluten Bezugspunkt. Bei konkreten
Anpassen der didaktischen Aufbereitung im Un- Beispielen neigen Schülerinnen und Schüler da-
terricht sind für verschiedene Themen in der her dazu, die vorher leicht akzeptierten Postu-
Physik verfügbar. Für die Relativitätstheorie late zugunsten einer absoluten Sicht aufzugeben

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Relativitätstheorie in der Schule BERGER
und einem der Beobachter „seine“ Physik abzu- In der Literatur zeigen manche Ergebnisse ein
erkennen. Eine andere Möglichkeit zur Lösung schnelles Akzeptieren von relativistischen Effek-
des Problems ist für Schüler und Schülerinnen, ten, die aber auch daraus resultieren könnten,
die relativistischen Effekte als optische Täu- dass diese als Scheineffekte gesehen werden
schungen abzutun, oder als nur die Messinstru- (Wittmann, 2012). Scherr, Shaffer & Vokos
mente (hier Uhren) betreffende Störungen zu er- (2001) stellten beispielsweise bei Studentinnen
kennen, denn „in Wirklichkeit“ verginge die Zeit und Studenten fest, dass sie die Relativität der
ja wie immer gleich. Gleichzeitigkeit durch unterschiedlich lange Sig-
Villani & Pacca (1987) untersuchten Vorstellun- nallaufzeiten erklärten. Somit konnten sie ihren
gen über einige Aspekte der Relativitätstheorie Anspruch an absoluter Gleichzeitigkeit der Er-
auch bei Studenten, die mindestens einen BSc in eignisse mit der Relativitätstheorie konsistent
Physik oder eine vergleichbare Ausbildung hat- halten.
ten. Dabei konnten auch Fehlvorstellungen fest- Selçuk (2010) fand in einer Untersuchung unter
gestellt werden, beispielsweise die Wahl eines Lehramtsstudentinnen und -studenten bei ei-
absoluten Bezugssystems oder die Reduktion nem Viertel Probleme beim Verständnis der Zeit-
der Ergebnisse zu Scheineffekten. Die Daten le- dilatation. Auch wurde die Auffassung, dass die
gen nahe, dass viel früher angesetzt werden Längenkontraktion in allen drei Dimensionen
müsste, um die Idee absoluter Bezugssysteme und nicht nur in Ausbreitungsrichtung stattfin-
aus den Köpfen zu bringen: in der Mechanik. det, vertreten.
Auch in der Newtonschen Mechanik muss durch Dass Fehlvorstellungen nicht nur auf Schüler-
Wahl verschiedener Bezugssysteme die gleiche seite vorherrschen, mag ein Grund dafür sein, als
Physik gewährleistet sein, wobei meist das ma- Lehrperson dieses Thema zu meiden und im
thematisch einfachste Bezugssystem gewählt Wissen um die eigene Unsicherheit lieber andere
wird. Dies ist im Grunde aber eine willkürliche Kapitel der Physik zu unterrichten. Wie Scherr et
Wahl, die offenbar zu selten betont wird. Die al. (2002) beschreiben, wurde bei vielen Lehr-
Wahl unterschiedlicher Bezugssysteme zur Be- amtsstudenten und -studentinnen nach der Be-
schreibung der Physik, ist keine Erfindung Einst- gegnung mit Relativitätstheorie in Einführungs-
eins, jedoch werden in der Relativitätstheorie kursen wenig funktionales Verständnis aufge-
Fehlvorstellungen leichter offenbart. Bereits bei baut. Es scheinen also die erwähnten Schulbü-
der Mechanik anzusetzen, kann Lernenden hel- cher hinsichtlich der Menge an Inhalt, die sie der
fen, in der Relativitätstheorie weniger oft in Fal- Relativitätstheorie im Vergleich zu anderen The-
len zu tappen. men der 12. Schulstufe einräumen, ein optimisti-
Borghi, De Ambrosis & Ghisolfi (1993), die sches Angebot zu stellen.
ebenso dem Verständnis der klassischen Mecha-
nik eine hohe Bedeutung zuweisen, machten 5 Unterrichtsansätze
auch Fehlvorstellungen zur relativistischen
 Gerade bei einem Thema, das stark auf die Erklä-
Masse fest, die aber nicht selten populärwissen-
 rungsqualität von Vortragenden setzen muss,
schaftlich ebenso transportiert werden. Den
 weil die nicht intuitiven Inhalte kaum selbst so
Schülerinnen und Schülern dieser Studie fiel es
 erarbeitet werden können, dass ein tieferes und
schwer, zwischen der invarianten Ruhemasse
 vor allem korrektes Verständnis gewährleistet
und der relativistischen Energie zu unterschei-
 ist, ist eine selbstsichere Anwendung der Inhalte
den und sie hatten Probleme das Bild einer ge-
 der Lehrpersonen notwendig. Da die Literatur
schwindigkeitsabhängigen Masse loszuwerden.
 Zweifel aufkommen lässt, ob diese sichere An-
Der deutsche Begriff der „relativistischen Masse“
 wendung von einem Großteil der Lehrpersonen
ist hier insofern irreführend, als dass die Ruhe-
 bewältigt werden kann, ist die fachliche Ausbil-
masse konstant bleibt, sich aber die Energie
 dung der wichtigste Ansatzpunkt. Es kann näm-
durch Wahl des Bezugssystems ändert. Fasst
 lich nicht davon ausgegangen werden, dass sich
man „Masse“ intuitiv allerdings als bezugssys-
 die betreffenden Personen die Inhalte im Selbst-
temunabhängiges Konzept auf (im Sinne einer
 studium neben ihrer Unterrichtstätigkeit aneig-
Stoffmenge), gerät man in einen Konflikt, wenn
 nen. Ebenso wäre es wünschenswert, wenn es in
sich die Masse alleine durch die Wahl des Be-
 didaktischer Hinsicht mehr Untersuchungen
zugssystems ändern soll. Ebenso erstaunt waren
 gäbe. Da sich die die hier untersuchte Literatur
die Schüler und Schülerinnen aus der Studie,
 außerdem auf die spezielle Relativitätstheorie
dass sich Massen in der Relativitätstheorie nicht
 bezog, sollte die nicht weniger schwierig zu un-
additiv verhalten.
 terrichtende allgemeine Relativitätstheorie im

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Relativitätstheorie in der Schule BERGER
Schulunterricht auch etwas mehr Aufmerksam- Bewegungsänderung, die die Trägheit eines Kör-
keit bekommen, da Lehrpersonen, die gewillt pers überwinden muss, nicht mit der Ruhemasse
sind, diese auch im Unterricht einzubauen, auf allein verargumentierbar. Anstatt nun eine be-
Materialien zurückgreifen können sollten. Die zugssystemabhängige relativistische Masse ein-
Schulbücher können angesichts der etwas stief- zuführen, kann alternativ mit der Energie oder
mütterlichen Behandlung der Relativitätstheorie dem Impuls argumentiert werden. Diese Größen
als durchaus fortschrittlich betrachtet werden. enthalten beide den „Korrekturterm“
Durch die innere Logik der Theorie ist die Rei- 2
henfolge der einzelnen Inhalte in den Schulbü- √1 −
 2
 ,
chern relativ ähnlich. Nichtsdestotrotz gibt es es leuchtet durch die enthaltene Geschwindig-
auch konkrete Empfehlungen der Literatur für keit aber deutlicher ein, dass sich Energie und
einige Aspekte des Unterrichts, die das Verständ- Impuls mit Wahl des Bezugssystems verändern.
nis erleichtern können. Borghi et al. (1993) ent- Dies ist dann auch leichter begreifbar, wenn
wickelten ein Unterrichtskonzept, das Schülerin- Schülerinnen und Schüler die Masse als Stoff-
nen und Schülern über zwei Jahre hinweg Relati- menge interpretieren, denn diese nimmt auch in
vitätstheorie vermittelte. Auf den durchschnittli- der Relativitätstheorie nicht zu (Müller, 2013).
chen Unterricht ist dies aufgrund der Zeitmenge Es kann, wie bei Hewson (1982) vorgeschlagen
so nicht übertragbar. Neben der fachlichen Ex- wird, auch hilfreich sein, den Fokus auf Ereig-
pertise der Lehrkraft betonen die Autoren eine nisse zu legen, die in allen Bezugssystemen die-
lebhafte Diskussion und einen Austausch der selben sind, und daraus veränderte Abstände
Ideen und Vorstellungen der Schülerinnen und und Zeiten, je nach Betrachter, zu erhalten, statt
Schüler in der Klasse. Da im Zuge dieses Unter- die Physik von Beziehungen zwischen Objekten
richts Elektrodynamik erst nach der Relativitäts- her zu denken.
theorie behandelt wurde, scheint es nicht unbe- Wittmann (2012) hat untersucht, ob es möglich
dingt notwendig zu sein, dass das Thema in der ist, auch Unterstufenschülerinnen und -schülern
letzten Schulstufe behandelt wird. Bei den Schü- (13- bzw. 14-Jährige) Relativitätstheorie so weit
lerinnen und Schülern, die zwischen 16 und 19 beizubringen, dass sie die Relativität der Gleich-
Jahre alt waren, war die Mechanik als Vorausset- zeitigkeit verstehen können. Darauf aufbauend
zung viel wesentlicher für das Verständnis. Um hat er ein Unterrichtskonzept entwickelt. Eben-
Schülern und Schülerinnen einen Grund zu ge- falls wurden Schülerinnen und Schüler dafür
ben sich auf die Relativitätstheorie einzulassen, paarweise und nicht die gesamte Klasse auf ein-
scheint es zweckmäßig, einen überraschenden mal unterrichtet. Seinen Ergebnissen zufolge ist
Widerspruch zu ihren klassischen Vorstellungen dies prinzipiell sehr wohl möglich, auch wenn
zu erzeugen, um die Notwendigkeit einer neuen man in diesem Zusammenhang die Freiwilligkeit
Theorie zu erkennen. Dabei ist wichtig, darauf zu und das Eigeninteresse der Schüler und Schüle-
achten, dass diese Widersprüche nicht als rinnen betonen muss. Trotzdem zeigte sich, eine
Scheineffekte (z. B. optische Täuschung) abgetan gewisse kognitive Reife, die notwendig ist, um
werden können. Villani & Arruda (1998) beto- abstrakten Gedankengängen folgen zu können.
nen, dass man Unterschiede zwischen klassi- Als Einstieg wurde eine Situation im Weltraum
scher und relativistischer Physik unbedingt klar- gezeigt, die die Gleichzeitigkeit zweier Ereig-
machen muss; ein historischer Bezug zum dama- nisse in Frage stellt und die Schülerinnen und
ligen Konzeptwechsel in der Physik ist dafür Schüler unzufrieden zurücklassen sollte. Diese
sinnvoll. Hier ist wiederum gesichertes Wissen akzeptierten das Relativitätsprinzip und die
aus der Mechanik notwendig, denn wenn dieses Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, auch wenn
nicht verinnerlicht ist, fällt es schwer, den Wi- sie einen absoluten Zeitbegriff hatten. Für die ge-
derspruch und den Wert einer neuen Theorie zu ringe Verwunderung bei den Postulaten macht
erkennen (Wittmann, 2012). Wittmann das geringe Verständnis der klassi-
Die oben erwähnte relativistische Masse, die zu schen Kinematik verantwortlich, sodass sie den
Verständnisschwierigkeiten führen kann, lässt Widerspruch zur Newtonschen Physik so nicht
sich im Grunde auf die Behandlung der Trägheit erkennen können. Bedenken kamen zur Mess-
in der Relativitätstheorie zurückführen. Über genauigkeit der Zeitmessung und zur Signallauf-
das zweite Newtonsche Axiom wird die Masse zeit; die Zeitdilatation war nicht mehr so einfach
als Proportionalitätskonstante zu einer Bewe- hinzunehmen. Durch den Fokus auf exakte, ide-
gungsänderung ausgemacht und fungiert als ale Messgeräte für Zeit bzw. Längen konnte das
Maß für die Trägheit des Körpers. Rückt man in Argument der Wahrnehmungstäuschung bei re-
die Nähe der Lichtgeschwindigkeit, so ist eine lativistischen Effekten abgeschwächt werden.

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Relativitätstheorie in der Schule BERGER
Wittmann betont auch, dass es den Schülern und mungen bestehen, den Schülerinnen und Schü-
Schülerinnen zuallererst sinnvoll erscheinen lern die Relativitätstheorie auch auf diese Weise
muss, eine Situation durch zwei verschiedene erfahrbar zu machen.
Betrachter zu beobachten, beispielsweise durch
eine Situation, die einen Widerspruch zur klassi- 6 Zusammenfassung
schen Erwartungshaltung und damit Unzufrie-
 Aus den wenigen, vorhandenen Studien zur Re-
denheit erzeugt. Die Gleichwertigkeit von Iner-
 lativitätstheorie geht klar hervor, dass nicht nur
tialsystemen wird zudem leichter akzeptiert,
 Schülerinnen und Schüler, sondern auch Lehr-
wenn kein System offensichtlich bevorzugt wer-
 kräfte zum Teil wenig konzeptuelles Verständnis
den kann, wie beim Erdboden. Für erste Beispiel-
 bei diesem Thema aufweisen. Es ist daher nahe-
situationen empfiehlt sich diesbezüglich bei-
 liegend, dass viele Lehrkräfte im Unterricht nur
spielsweise der Weltraum.
 in geringem Ausmaß auf die Relativitätstheorie
Aslanides & Savage (2013) entwickelten ein Con-
 eingehen wollen und ihr andere Kapitel aus der
cept Inventory für die spezielle Relativitätstheo-
 Physik vorziehen. Die Schulbücher bieten viel In-
rie. Dieses testet u.a. das konzeptuelle Verständ-
 halt, aus dem man schöpfen kann. Durch den lo-
nis zu den beiden Postulaten, der Zeitdilatation,
 gischen Aufbau der Relativitätstheorie ist die
Längenkontraktion, Relativität der Gleichzeitig-
 Vorgehensweise und Reihenfolge der einzelnen
keit und Geschwindigkeitsaddition in Form von
 Aspekte der Theorie unter den Schulbüchern
24 Multiple-Choice-Fragen. Dieses Testinstru-
 weitgehend ident. Es ist nicht nur herausfor-
ment wurde für Studentinnen und Studenten
 dernd den Schülerinnen und Schüler die Inhalte
entwickelt, dabei wurde auch gefragt, wie sicher
 zu vermitteln, sondern vor allem die Konzepte so
sie sich bei ihren Antworten sind, um Schlüsse
 zu erklären, dass sie sie tatsächlich verstehen
auf Fehlkonzepte zu ziehen. In adaptierter Form
 können. Außerhalb der Schulbücher gibt es aber
können die Fragen allerdings auch in der Sekun-
 kaum weiteres didaktisches Material. Die allge-
darstufe 2 angewendet werden, um das Ver-
 meine Relativitätstheorie wird innerhalb der Di-
ständnis der Schülerinnen und Schüler auszutes-
 daktikforschung nicht einmal in Ansätzen aufge-
ten. Für eine Leistungsbeurteilung sind aller-
 griffen. Da von Schülerseite außerdem ein hohes
dings teilweise zu wenig Antwortmöglichkeiten
 Interesse an der Relativitätstheorie vorhanden
gegeben, da der Ratefaktor in der Studie durch
 ist, ist es schade, dieses Feld weiterhin unbear-
die Frage nach Sicherheit bei Beantwortung des
 beitet zu lassen. Auch eine intensivere Auseinan-
Tests nicht relevant war. Ebenso können die Fra-
 dersetzung in der Lehrerausbildung mit dem
gen auch als Selbsttest für Physiklehrkräfte die-
 Thema ist notwendig, um die nötige Festigung zu
nen, die Relativitätstheorie unterrichten wollen,
 erreichen. Andernfalls ist zu erwarten, dass die
aber nicht sicher sind, ob sie die Konzepte tat-
 Relativitätstheorie im Unterricht umgangen
sächlich verstanden haben.
 wird.
Eine weitere Empfehlung für den Unterricht gilt
dem Spiel „A Slower Speed of Light“ (MIT Game
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zur Relativitätstheorie setzt die Lichtgeschwin- Apolin, M. (2019). Big Bang Physik 8. Wien: öbv.
digkeit auf ein Maß herab, bei dem relativistische Aslanides, J. & Savage, C. (2013). Relativity concept inven-
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Menschen liegen. Man steuert dabei aus Sicht der Borghi, L., De Ambrosis, A., & Ghisolfi, E. (1993). Teaching
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tion, die relativistische Dopplerverschiebung Hewson, P. W. (1982). A case study of conceptual change in
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türlich voraus, dass die letztgenannten Aspekte Machold, A. (1982). Schülervorstellungen vor und wäh-
zuvor bereits besprochen wurden. Angesichts rend des Unterrichts in spezieller Relativitätstheorie.
von Konzepten wie Zeitdilatation oder Längen- physica didactica, 9(3/4), 175-189.
kontraktion sind die relativistische Dopplerver- MIT Game Lab (Entwickler). (2012). A Slower Speed of
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schiebung und die Aberration aber gut mit der
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 6

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 orie – eine empirische Studie zu Lernprozessen in der Se-
 kundarstufe I. Dissertation, Universität Wien.

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