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Die spezielle Relativitätstheorie wurde von Albert Einstein (1879-1955) im Jahr 1905 veröffentlicht. Sie ist Teil der umfangreicheren und weitaus komplexeren allgemeinen Relativitätstheorie und stellt einen Sonderfall derselben dar. Die allgemeine Relativitätstheorie wurde von Einstein erst im Jahre 1915 veröffentlicht.

Albert Einstein (1879 - 1955)

Raum und Zeit

In einem einfachen Koordinatensystem kann man einen bestimmten Ort sehr einfach bestimmen indem man Richtung und Distanz angibt. Bei der Suche nach einem versteckten Schatz könnte die entsprechende Ortsbestimmung z.B. so lauten: „Gehe 20 Kilometer in Richtung Osten, dann weitere 5 Kilometer nach Norden, und wenn Du dort angekommen bist grabe 10 Meter tief!" Somit habe ich einen Ort in einem dreidimensionalem Koordinatensystem angegeben. Einstein hat nun einen weiteren Faktor hinzugefügt, und zwar die Zeit!

Auch das ist für unser tägliches Leben kein Problem: „Gehe 20 Kilometer in Richtung Osten, dann weitere 5 Kilometer nach Norden, wenn Du dort angekommen bist grabe 10 Meter tief und warte bis 15.00 Uhr. Dann komme ich und helfe Dir den Schatz zu bergen!"

Jedoch wenn wir uns sehr schnell fortbewegen, fast so schnell wie das Licht, dann beginnen die Zusammenhänge sich auf eine sehr fremdartige Weise zu verändern.

Je schneller wir uns fortbewegen desto langsamer läuft unsere Uhr relativ (im Verhältnis ) zu jemandem der sich nicht bewegt.

Zeit – und das gilt für alles das sich bewegt – verändert sich!

Raum und Zeit sind nicht mehr länger zwei getrennte Dinge, sondern ein- und dasselbe. Diese Einheit aus Raum und Zeit nennt man Raumzeit!

„moving clocks run slow"

(„Sich bewegende Uhren laufen langsamer")

Einstein's zwei Postulate

Diese Theorie basiert auf 2 Prinzipien (Postulate):

  1. In jedem Referenzrahmen gelten die gleichen physikalischen Gesetze. D.h.: Jedes Ereignis in einem Teil des Raumes (einem Rahmen) kann durch drei räumliche Dimensionen (Ost-West, Nord-Süd sowie Hoch-Runter), sowie eine temporale Dimension (die Zeit) bestimmt werden. Auch die anderen, uns bekannten, physikalischen Gesetze (Newton‘s Gesetze) haben in jedem Referenzrahmen Gültigkeit.
  2. Die Geschwindigkeit des Lichtes ist konstant. Das bedeutet, daß in einem Vakuum, wie z.B. im Weltraum, die Geschwindigkeit des Lichtes immer gleich bleibt, unabhängig von der Eigengeschwindigkeit des Beobachters.

Das erste Prinzip ist ziemlich klar. Wenn ich eine Stunde in Sydney/Australien sitze und warte, vergeht eine Stunde. Wenn ich eine Stunde in Dortmund/Deutschland warte, vergeht auch eine Stunde. Ich befinde mich in beiden Fällen ziemlich exakt im gleichen Teil des Raumes (Referenzrahmen). Ich bewege mich mit der gleichen Geschwindigkeit um die Sonne, egal wo auf der Erde ich mich befinde. Für den Ablauf der Zeit gelten in jedem Referenzrahmen die gleichen Gesetze.

Während das erste Prinzip noch ungefähr dem entspricht was man erwartet, benötigt das zweite Prinzip etwas mehr Erklärung.

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ziemlich genau 300.000 Kilometer pro Sekunde.

Nun sagt uns unsere tägliche Erfahrung wie sich Geschwindigkeiten zueinander verhalten.

Nehmen wir einmal an, das ein Bus mit 30 Kilometern pro Stunde nach Norden fährt, während wir selber mit 5 Kilometern pro Stunde nach Norden laufen. Für uns ist ziemlich klar, das sich der Bus mit 25 Kilometern pro Stunde von uns entfernt.

Doch was geschieht wenn wir uns in dieselbe Richtung bewegen wie ein Lichtstrahl?

Nehmen wir einmal an wir senden einen Lichtimpuls in den Weltraum, z.B. mit einem riesigen Blitzlicht. Nun folgen wir dem Licht in einer schnellen Rakete mit 100.000 km pro Sekunde.

Wie schnell entfernt sich das Licht von uns?

Unser Verstand sagt uns, das wir mit 100.000 km/Sek. fliegen, das Licht erreicht 300.000 km/Sek., also ist das Licht 200.000 km/Sek. schneller als wir. Und das ist falsch!!!

Erinnern wir uns: Die Geschwindigkeit des Lichtes ist konstant! Das bedeutet sie bleibt immer gleich, unabhängig von unserer Eigengeschwindigkeit.

In unserer Rakete würden wir also feststellen, das sich das Licht immer noch mit 300.000 km/Sek. von uns entfernt!

Selbst wenn wir dem Lichtstrahl mit unserer Rakete entgegenfliegen, würde sich das Licht mit 300.000 km/Sek. nähern!

Das hat ganz enorme Auswirkungen!

Zeitverschiebung

Wenn die Lichtgeschwindigkeit wirklich immer gleich bleibt muß sich etwas anderes ändern.

Dieses „Etwas" ist – die Zeit!

So ungewöhnlich es uns auch erscheinen mag, Zeit ist nicht konstant. Oder, genauer gesagt, Raumzeit ist nicht konstant.

Man kann sie verändern, verdrehen und biegen. Je schneller wir uns bewegen desto langsamer wird der Zeitablauf („moving clocks run slow"). Jedoch bemerkt man dieses – normalerweise – nur bei sehr, sehr hohen Geschwindigkeiten (Nahe der des Lichtes, 300.000 km/Sek., das sind ca. 7 Erdumrundungen in einer Sekunde.).

Was hat das nun für Auswirkungen? Eine dieser Auswirkungen ist folgende: Für zwei Menschen die sich, relativ (deswegen „Relativitätstheorie") zueinander, mit verschiedenen Geschwindigkeiten fortbewegen, wird die Zeit verschieden schnell ablaufen! Dazu ein Beispiel:

Mary, eine 30 Jahre alte Astronautin der NASA startet im Jahr 2010 von Cape Canaveral mit Ihrer superschnellen Rakete zu einer 10-jährigen Mission. Schon nach kurzer Zeit hat Mary eine Geschwindigkeit von 270.000 km/Sek. erreicht, das sind ca. 90% der Lichtgeschwindigkeit.

Für Mary in ihrer Rakete erscheint alles normal. Für sie vergeht die Zeit wie sie es von der Erde her kennt.

Ihre Zwillingsschwester, Susan, arbeitet im Bodenkontrollzentrum für diese Mission.

Als die Rakete mit Mary wie geplant nach 10 Jahren zur Erde zurückkehrt wird eines offensichtlich: Während die „ erdgebundene" Susan um 10 Jahre gealtert ist, wurde Ihre raumfahrende Schwester Mary nur 5 Jahre älter!

Nun, wieder sind wir bei „moving clocks run slow" oder "Sich bewegende Uhren laufen langsamer"!

Bei 90% der Lichtgeschwindigkeit verlangsamt sich die Zeit um ca. die Hälfte , relativ zu jemandem der stationär bleibt.

Während also für Susan 10 Jahre vergangen sind, sind für Mary nur 5 Jahre vergangen, weil Mary’s „Uhr" nur halb so schnell lief wie die Uhren auf der Erde. Dieses Phänomen wird das „Zwillingsparadox" genannt.

Jedoch, auch wenn für Mary im Vergleich zu uns nur 5 Jahre vergangen sind hat sie in ihrem Raumschiff den Zeitablauf ganz normal empfunden. Dies ist also keine Möglichkeit um länger zu leben!

Es sind also nicht nur die Uhren, die langsamer laufen, es ist die Zeit selber!

Wie schnell kann man werden?

Einige andere Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie sind folgende:

  • Entfernungen schrumpfen in Bewegungsrichtung.
  • Die Masse eines Objektes erhöht sich mit steigender Geschwindigkeit.
  • Nichts ist schneller als das Licht.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird auf den ersten dieser Punkte hier nicht eingegangen. Auch die beiden anderen Punkte können hier nur oberflächlich betrachtet werden. Nach den „Regeln" der speziellen Relativität erhöht sich mit steigender Geschwindigkeit auch die Masse eines Objektes. Bei 90% der Lichtgeschwindigkeit wird sich die Masse ca. verdoppeln, doch bereits bei 95% der Lichtgeschwindigkeit verzehnfacht sich die Masse. Nähern wir uns der Lichtgeschwindigkeit noch mehr erhöht sich die Masse dramatisch bis sie, bei Erreichen der Lichtgeschwindigkeit, unendlich hoch geworden ist Aus unserem täglichen Leben wissen wir das je schwerer etwas ist, desto mehr Energie benötigen wir um es fortzubewegen. Um nun etwas mit unendlicher Masse zu bewegen, würden wir auch unendliche Energie benötigen, und das ist ganz klar nicht machbar, d.h. nichts kann schneller sein als das Licht. Wir leben in einem Universum welches von dieser speziellen Relativität dominiert wird und in dem Überlichtgeschwindigkeit unmöglich ist. Und doch gibt es Wege sich den Zwängen der speziellen Relativität zu entziehen und Geschwindigkeiten zu erreichen, die weit jenseits der Lichtgeschwindigkeit liegen. Die Bedingungen hierfür sind jedoch äußerst ungewöhnlich und liegen außerhalb des Rahmens der speziellen Relativitätstheorie. Zudem ist –soweit bis jetzt bekannt- keinerlei praktische Nutzanwendung möglich.  

 

Ist das auch „REAL"?

Das klingt ja alles schön und gut, aber was ist mit Beweisen? Bis jetzt ist es ja lediglich eine Theorie! Nun, es wurden sehr viele Experimente im Bereich der speziellen Relativität durchgeführt und alle zeigten das diese Theorie korrekt ist! Es wurden z.B. Experimente mit subatomaren Partikeln in Teilchenbeschleunigern durchgeführt, oder man stellte beim Vergleich von Uhren in Weltraumsonden –wie z.B. der Voyager- mit Referenzuhren auf der Erde, die entsprechenden Zeitverschiebungen fest. Ein ähnliches, wenn auch einfacheres Experiment wurde 1971 zum ersten Mal durchgeführt und seitdem mehrfach erfolgreich wiederholt: Ein Flugzeug, ausgerüstet mit einer Atomuhr, führt einen Langstreckenflug, z.B. über den Atlantischen Ozean, durch. Die Geschwindigkeit des Flugzeuges beträgt zwar nur einen winzigen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit, aber der Effekt, das sich bewegende Uhren langsamer laufen, tritt bei jeder Geschwindigkeit auf. Mit einer zweiten Atomuhr auf dem Boden ist es uns nun möglich die Zeitunterschiede, die durch die Bewegung der einen Uhr entstehen, zu messen. Bei den Geschwindigkeiten die ein Flugzeug erreicht betragen diese Abweichungen nur Millionstel Sekunden, aber sie sind vorhanden und in exakter Übereinstimmung mit den Voraussagen der speziellen Relativitätstheorie! Wenn Albert Einstein diese Experimente hätte miterleben können, wäre er bestimmt erfüllt von inniger Freude, jedoch keineswegs überrascht.  

Albert Einstein

 

 

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German translation © R Bleckmann