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Die Physik die du vielleicht bisher kennengelernt hast, war ein perfektes Werkzeug um fast alle natürlichen Phänomene zu erklären!
Mit Hilfe der Newtonschen Mechanik kannst du sämtliche Bewegungen von Körpern und Flüssigkeiten beschreiben, die kinetische Gastheorie ist ein perfektes Mittel um eine Grundlage für das Verhalten von Gasen zu schaffen und die gesamte Elektrizitätslehre hat uns gezeigt, wie elektrische- und magnetische Felder miteinander wechselwirken und das Licht sogar als elektromagnetische Welle aufgefasst werden kann.
HF
In der Physik spricht man hierbei von der sogenannten klassischen Physik!
Niemand geringeres als Albert Einstein hat am Anfang des 20. Jahrhunderts einige physikalische Phänomene entdeckt, die sich nicht mit der klassischen Physik erklären lassen und begründete damit ein neues Werkzeug unbekannte, physikalische Probleme zu lösen: Die moderne Physik!
In diesem Artikel erfährst du alles über die spezielle Relativitätstheorie, die ein riesen Teilgebiet der modernen Physik bildet, welche Themen dabei wichtig sind und wir werden dir zeigen, dass nicht nur Albert Einstein ein wahres Genie war.
Prinzipiell beschreibt die spezielle Relativitätstheorie die Betrachtung physikalischer Ereignisse von Körpern aus unterschiedlichen Beobachtungsperspektiven!
In der Physik spricht man hierbei von sogenannten Bezugssystemen oder auch Inertialsystemen.
Wichtig dabei ist sich die beiden Begriffe relativ und absolut im physikalischen Kontext klar zu machen!
Relativ | Absolut | |
| Alltagserklärung | Ein physikalisches Ereignis ist relativ, wenn die Beobachtungsperspektive das Ergebnis verändert. | Ein physikalisches Ereignis ist absolut, wenn das Ergebnis vollkommen unabhängig von der Beobachtungsperspektive ist. |
| Physikalische Definition | Ein physikalisches Ereignis verändert sich abhängig vom gewählten Inertialsystem. | Ein physikalisches Ereignis ist unabhängig vom gewählten Inertialsystem. |
| Beispiel | Du bist Elfmeterschütze und schießt oben rechts ins Eck. Aus der Perspektive des Torwarts fliegt der Ball aber nach oben links. | Für Elfmeterschütze, Torwart und für Zuschauer hat der Fußball immer die selbe Form: Er ist rund. |
Bei der speziellen Relativitätstheorie bewegen sich Inertialsysteme relativ zueinander!
Du bist mit deiner besten Freundin am Flughafen. Ihr wollt beide zu eurem Flug kommen und geht einen der langen Gänge entlang. In dem Gang befindet sich ein Rollsteig, eine Art flache Rolltreppe. Deine Freundin geht auf den Rollsteig und läuft genau so schnell weiter wie zuvor. Du gehst neben dem Rollsteig auf dem normalem Flughafenboden weiter.
Obwohl ihr beide davor zusammen gleich schnell gegangen seit bewegt sich deine Freundin nun schneller den Gang entlang als du! Fragst du nun deine Freundin, wie schnell sie geht würde sie antworten, dass sie genau so schnell wie vor dem Rollsteig geht, also genau so schnell wie du.
Dennoch sieht es für dich so aus als würde sie sich schneller bewegen. Aus der Sicht deiner Freundin sieht das jedoch umgekehrt aus: Du bist langsamer geworden, obwohl du fest behaupten wirst, dass du gleich schnell wie zuvor weiter läufst ! Der Unterschied zwischen euren Geschwindigkeiten liegt offensichtlich am Rollsteig, aber was bedeutet dies physikalisch?
Weiterführend lässt sich die Frage stellen, was mit den Geschwindigkeiten zweier Bälle passieren würde, wenn ihr beide eure Bälle gleich schnell nach vorne wirft. Jeweils von eurer Perspektive aus würde eurer eigener Ball gleich schnell fliegen. Der andere Ball aber wäre langsamer oder schneller je nach Perspektive!
Nun nehmt ihr beide euer Handy raus und macht ein Foto mit Blitz nach vorne. Wie sieht es mit der Geschwindigkeit des Lichtblitzes aus? Das ist eine etwas kniffligere Frage, als zunächst ersichtlich und wir werden uns das Verhalten von Licht in der Speziellen Relativitätstheorie genauer anschauen!
Wer hat in dem Flughafenszenario nun jetzt eigentlich Recht? Um es vorweg zu nehmen: Ihr habt beide recht!
Grund dafür ist das sogenannte Galilei - Newtonsche Relativitätsprinzip!
Das Galilei-Newtonsche Relativitätsprinzip besagt, dass alle physikalischen Grundgesetze in jedem Inertialsystem gleich sind!
Es spielt also absolut keine Rolle, ob du dich auf dem Laufsteig oder daneben auf dem Flur befindest, die physikalischen Gesetze gelten in beiden Inertialsystemen.
Zumindest ist es intuitiv klar: Wenn dir irgendein Gegenstand aus der Hosentasche fällt, dann wird der physikalische Fallprozess vollkommen identisch sein, egal ob du dich auf dem Laufsteig oder auf dem Flur befindest!
Merk dir daher: Die physikalischen Gesetze bleiben immer gleich, es kommt lediglich darauf an, aus welcher Perspektive du das physikalische Ereignis betrachtest, also wie das Inertialsystem gewählt ist!
Wenn du mehr darüber erfahren möchtest und tiefer in die Thematik eindringen willst, dann lies dir unbedingt unseren Artikel über das Galilei-Newtonsche Relativitätsprinzip durch!
Es gibt aber noch viele weitere Erkenntnisse und verblüffende Theorien in der speziellen Relativitätstheorie! Schonmal was von Äther gehört?
In der Physik war man sich einig: Wellen bewegen sich durch ein sogenanntes Medium.
Schallwellen bewegen sich zum Beispiel durch das Medium Luft und Wasserwellen bewegen sich durch das Medium Wasser. Man war sich ziemlich sicher, dass sich jede Welle durch ein zugehöriges Medium bewegt. Licht konnte als elektromagnetische Welle interpretiert werden, daher war es für die Physikwelt damals klar, dass es auch ein zugehöriges Medium zur Ausbreitung von Licht geben muss: Der transparente Äther!
Unter der Äthertheorie versteht man die ursprüngliche Vermutung, dass sich Licht als elektromagnetische Welle durch das Medium Äther bewegt!
Die Behauptung: Es muss, so wie bisher immer, das Galilei - Newtonsche Relativitätsprinzip gelten! Alle Bewegungen des Lichts müssten also relativ im Äther sein!
Stell dir vor du stehst an einem großem Fluss wie dem Rhein und schaust einem Boot beim fahren zu.
Die die Geschwindigkeit des Bootes wird dir unterschiedlich vorkommen: Je nachdem wie weit das Boot von dir ist, ob es stromaufwärts oder stromabwärts oder von rechts nach links auf dem Fluss fährt!
Wenn das für ein Boot im Medium Wasser gilt, dann muss das auch für Licht als elektromagnetische Welle im Medium Äther gelten! Oder?
Um diese Behauptung ursprünglich zu beweisen, haben die zwei Wissenschaftler Albert Michelson und Edward Morley am Ende des 19. Jahrhunderts ein raffiniertes Experiment entwickelt: Das Michelson-Morley-Interferometer.
Darin untersuchten sie die Unterschiede der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Raumrichtungen zu einem festen Inertialsystem. Sie wollten also zeigen, dass auf Licht genau das selbe zutrifft, wie bei unserem Boot Szenario!
Der Clou: Sie haben durch Zufall genau das Gegenteil gezeigt! Die Geschwindigkeit von Licht ist in allen Inertialsystem vollkommen identisch und einen Äther als Medium für die Ausbreitung von Licht gibt es nicht!
Das Michelson-Morley-Interferometer ist ein spezielles Experiment, um die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Raumrichtungen zu einem festen Inertialsystem zu untersuchen!
Wenn du wissen willst, wie genau das Michelson-Morley-Interferometer aufgebaut ist und funktioniert, dann schau dir unbedingt unseren Artikel dazu an!
Aus den bisherigen Themen in diesem Artikel lassen sich die Postulate der speziellen Relativitätstheorie aufstellen!
Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie lauten
Wie stellst du fest, ob zwei physikalische Ereignisse gleichzeitig ablaufen?
Wenn du zwei Bälle fallen lässt, ist das noch ganz überschaubar: Wenn beide Bälle zum selben Zeitpunkt vor dir auf den Boden prallen, haben die Fallprozesse wohl gleichzeitig stattgefunden.
Kennst du den genauen Ort, ist die Überprüfung der Gleichzeitigkeit nicht allzu schwierig.Wie kann man aber Gleichzeitigkeit bei sehr weit voneinander entfernten Objekten mit unbekannten Orten feststellen und welche Rolle spielt die Beobachtungsperspektive bei der Betrachtung der Zeit?
In anderen Worten: Ist Zeit relativ?
Wenn du auf der Suche nach dieser Antwort bist und du wissen möchtest, mit welchen Gedankenexperiment man die Gleichzeitigkeit an unbekannten, weit entfernten Orten einfach überprüfen kann, lies dir auf jeden Fall unseren Artikel über die Gleichzeitigkeit durch!
Die Zeitdilatation ist neben der Längekontraktion eine wesentliche Folgerung aus der Relativität der Zeit! Wenn du den Artikel zur Gleichzeitigkeit gelesen hast, weißt du, warum die Zeit relativ ist.Wir zeigen dir, was du dir unter der Zeitdilatation vorstellen kannst!
Stell dir vor, dass du nachts an einem Bahnhof am Bahngleis stehst und einen vorbeifahrenden Zug beobachtest, dessen Geschwindigkeit fast der Lichtgeschwindigkeit gleicht.In einem Zugabteil befindet sich eine Person, die am Fenster sitzt. Du und die im Zug sitzende Person habt beide präzise Uhren in der Hand und beobachtet einen Lichtstrahl der von der Person im Zug senkrecht nach oben an die Decke gegen einen Spiegel und wieder senkrecht zurück an einen Empfänger zur Person im Zug strahlt. Bedenke: Das Licht bewegt sich mit der Lichtgeschwindigkeit c.Die Distanz zwischen Spiegel und Empfänger nennen wir einfach D.
Ihr wollt also beide wissen: Ist die Strecke des Lichtstrahls aus beiden Beobachtungsperspektiven identisch und werdet ihr die selben Zeiten für den zurückgelegten Weg auf eurer Uhr ablesen?Die Perspektive der Person im Zug kannst du dir wie folgt vorstellen:
Für die Person im Zug strahlt das Licht einmal senkrecht über die Distanz D nach oben zum Spiegel und dann senkrecht über die Distanz D zum Empfänger zurück. Sobald das Licht einmal zum Spiegel und wieder zurück zum Empfänger gelangt, stoppt die Person im Zug die Zeit mit der Uhr.Wie verläuft der Lichtstrahl aber aus deiner Beobachtungsperspektive?Du kannst dir den Lichtstrahlverlauf wie folgt vorstellen:
Sobald der Lichtstrahl startet und die Zeit für den Weg gemessen wird, bewegt sich aus deiner Perspektive die Person im Zug ja mit fast Lichtgeschwindigkeit weiter!Der Weg den der Lichtstrahl zurücklegt, ist aus deiner Perspektive plötzlich viel länger geworden, als es aus der Perspektive des Zugpassagiers der Fall ist. Das kann man ganz leicht an dem gelb dargestellten Strahlenverlauf erkennen!
Wenn das Licht aus deiner Beobachtungsperspektive einen längeren Weg braucht, muss die Zeit in dem sich sehr schnell bewegenden Zug auch langsamer verlaufen! Warum? Du wirst im zweiten Szenario nach einer viel längeren Zeit deine Uhr zum Stoppen bringen, als es im ersten Szenario der Fall ist!
Die Hauptaussage der Zeitdilatation: Bewegte Uhren laufen langsamer!
Ein Paradebeispiel für die Zeitdilatation ist das sogenannte Zwillingsparadoxon!Dabei geht es um einen Zwilling eines 20 Jahre jungen Zwillingspaares, der eine 10-jährige Reise mit einem Raumschiff macht! Der eine Zwilling steigt dabei in ein Raumschiff und fährt mit fast Lichtgeschwindigkeit auf einen sehr weit entfernten Planeten, während der andere auf der Erde wartet! Nach 10 Jahren kommt der Weltraumreisende wieder zur Erde zurück!Beide sind bei der Abfahrt 20 Jahre jung. Der Zwilling im Raumschiff bewegt sich jedoch aus der Perspektive des auf der Erde bleibenden Zwillings mit fast Lichtgeschwindigkeit von ihm weg.Aufgrund der Zeitdilatation laufen die Uhren auf dem Raumschiff daher langsamer!Es kann also passieren, dass sich die Zwillinge nach 10 Jahren auf der Erde wieder treffen, wobei der Zwilling der auf Weltraumreisen war ein Alter von 21 Jahren besitzt, während sein Bruder/Schwester bereits 30 Jahre alt ist.
Wieso das Zwillingsparadoxon möglich sein kann, wie sich die genaue Formel der Zeitdilatation ergibt und welche Rolle der Begriff der Eigenzeit hierbei spielt, erfährst du in unserem Artikel über die Zeitdilatation!
Eine weitere, ziemlich interessante Folgerung der speziellen Relativitätstheorie ist die sogenannte Längenkontraktion!
Neben der Zeit sind auch Längen und Entfernungen in verschiedenen Inertialsystemen verschieden! Das heißt, dass Längen und Entfernungen relativ sind!
Stell dir mal vor, dass eine Rakete sich mit fast Lichtgeschwindigkeit im Weltall bewegt und den Planeten Mars anpeilt! Aus der Perspektive des Astronauten an Bord der Rakete ändert sich gar nichts! Das Inertialsystem befindet sich in Ruhe.
Wenn wir die gleiche Situation aus der Perspektive eines Beobachters von der Erdoberfläche betrachten, ergibt sich folgendes:
Aus der Perspektive eines Beobachters von der Erde aus, scheint die Rakete aufgrund der Längenkontraktion plötzlich verkürzt! Wichtig ist, dass die Verkürzung nur in Bewegungsrichtung passiert! Die Rakete verliert aufgrund der Längenkontraktion also an Länge, aber nicht an Höhe!
Die Hauptaussage der Längenkontraktion: Bewegte Körper erscheinen in Bewegungsrichtung verkürzt!
Wenn du wissen willst, was genau hinter der Längenkontraktion steckt und wie die genauen Formeln und Berechnungen aussehen, lies dir unbedingt unseren Artikel über die Längenkontraktion durch!
Durch die spezielle Relativitätstheorie konnten wichtige Folgerungen geschlossen werden! Wir zeigen dir hier die drei wichtigsten!
Eine der bedeutsamsten Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie ist, dass Impuls und Masse plötzlich relativistisch sind. Dadurch lässt sich eine ziemlich interessante Frage beantworten:
Warum können sich Körper niemals mit Lichtgeschwindigkeit bewegen? Und warum werden Körper immer träger, je höher die Geschwindigkeit ist mit denen sie sich bewegen?
Albert Einstein folgerte im Jahr 1905 mit Hilfe der speziellen Relativitätstheorie die wohl bekannteste physikalische Formel der Welt:
Was sagt diese Gleichung nun aber aus?
Die Gleichung 
sagt aus, dass die Masse eine Form der Energie ist!
Vorsicht! Die Masse ist demnach eine Form der Energie und nicht damit gleich zu setzen! Diese Gleichung sagt nur aus, dass Masse und Energie äquivalente Begriffe sind! Kennst du die Energie eines Körpers, kennst du auch seine Masse und umgekehrt!
So wie bisher alle anderen Energieformen ineinander umwandelbar sind, können wir nun ebenso die Masse als Energieform in eine andere Energie umwandeln.
Das Korrespondenzprinzip führt die klassische Physik und die speziellen Relativitätstheorie zusammen.
Es besagt, dass sich die moderne und klassische Physik überhaupt nicht konträr gegenüberstehen und klassische und moderne Theorien sich eben nicht gegenseitig ausschließen! Genau das Gegenteil ist der Fall!
Die klassische Physik ist ein Grenzfall der modernen Physik.
Solange wir uns nicht der Lichtgeschwindigkeit nähern, befinden wir uns in der klassischen Physik und falls wir doch in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit geraten, greifen wir zur modernen Physik und haben keinerlei physikalische Probleme!
Falls du mehr zu all diesen Folgerungen der speziellen Relativitätstheorie wissen möchtest und verstehen willst, warum welche Formeln gelten und tiefer ins Detail gehen möchtest, lies dir unbedingt unseren Artikel zu den Folgerungen der speziellen Relativitätstheorie durch!
Viele denken immer, dass Einstein für seine Ideen in der speziellen Relativitätstheorie einen Nobelpreis erhalten hat. Das stimmt aber nicht! Den Nobelpreis hat Einstein für die Entdeckung des Photoeffekts bekommen! Damals waren seine Theorien zur speziellen Relativitätstheorie nämlich schwer umstritten und durch die komplizierte Theorie nur schwer experimentell überprüfbar, was damals das Maß der Dinge war! Den Photoeffekt hingegen konnte man bereits damals mit Experimenten klar beweisen.
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