Relativitätstheorie
Thema erstellt von Erich
| Beiträge: 726, Mitglied seit 18 Jahren |
Wenn diese Gleichung alles wäre, was es über dioe Relativitätstheorie zu sagen gibt, dann wäre sie wesentlich weniger interessant. In der Tat war diese Gleichung in Einsteins ursprünglicher Veröffentlichung überhaupt nicht enthalten, sondern wurde quasi als Nachtrag getrennt veröffentlicht.
Das spannende an Einteins Relativitätstheorien (es gibt nämlich zwei, die spezielle und die allgemeine, obwohl man die spezielle auch als einen Spezialfall der allgemeinen sehen kann, aber genauso kann man die Newtonsche Physik als Spezialfall der RT für kleine Geschwindigkeiten und schwache Gravitationsfelder sehen) ist, daß sie unsere gewohnten Ansichten über Raum und Zeit völlig über den Haufen werfen. Das geht so weit, dass die Frage: "Was passiert jetzt im Moment im Andromedanebel" gar nicht sinnvoll ist!
Ausgangspunkt der RT ist (wie der Name schon sagt) das Relativitätsprinzip. Das ist nicht erst von Einstein gefunden worden, sondern stammt schon von Galilei. Die Aussage ist, daß ein unbewegtes System nicht von einem gleichförmig bewegten System unterschieden werden kann. Das Relativitätsprinzip sorgt z.B. dafür, daß auch im ICE bei voller Fahrt Deine Kaffetasse sich wie gewohnt verhält, und nicht etwa Dir ins Gesicht fliegt, wenn Du sie (in Fahrtrichtung sitzend) vor Dich hinstellst.
Das Problem war, dass die Elektrodynamik (die Theorie, die alle elektrischen und magnetischen Phänomene einschließlich des Lichts beschreibt) dem Relativitätsprinzip scheinbar nicht gehorchte. Sprich: Es sollte so etwas wie absolute Ruhe geben, und wenn Du ein passendes Experiment mit Licht machst, dann solltest Du feststellen können, wie schnell man sich relativ zu diesem System bewegt.
Genau das haben Michelson und Morely mit der Erde (die ja bekanntlich um die Sonne kreist, mithin also eine ganz gewaltige Geschwindigkeit hat) versucht: Sie haben versucht, durch Vergleich der Lichtgeschwindigkeit in verschiedene Richtungen die Geschwindigkeit der Erde zu messen. Das überraschende Resultat war, daß eine solche Geschwindigkeit nicht meßbar war. In der Tat ist es nie gelungen, eine absolute Geschwindigkeit zu messen.
Das war aber ein Problem, denn einerseits funktionierte die Elektrodynamik wunderbar (ok, bis auf ein paar "Kleinigkeiten", die später zur Quantenmechanik führten, aber das ist eine andere Geschichte), andererseits sagten die Gleichungen anscheinend voraus, daß es ein bevorzugtes Bezugssystem geben müsse (man stellte sich damals einen Stoff vor, in dem sich die Lichtwellen ausbreiteten, den sogenannten Äther, der in diesem System ruhen sollte).
Einstein ist nun hergegangen und hat gesagt: "Hey Leuite, ihr seid alle auf dem falschen Dampfer, die Elektrodynamik gehorcht durchaus dem Relativitätsprinzip, nur Raum und Zeit sind eben nicht das, was ihr bisher dachtet!" (natürlich hat er es etwas anders formuliert ;-)
). Und dieses neue Verständnis von Raum und Zeit funktionierte tatsächlich wunderbar. Später hat Einstein es noch einmal verändert, um auch die Gravitation beschreiben zu können, und wieder war es ein Volltreffer.
Ok, was ist nun das Neue an Einsteins Vorstellungen?
Nun, zunächst einmal zur speziellen Relativitätstheorie: Newton dachte noch, daß einen absoluten Raum und eine davon unabhängige absolute Zeit gäbe. Das bedeutet, daß alle Beobachter sich darüber einig sind, welche Ereignisse gleichzeitig stattgefunden haben, oder welches von zwei weit auseinanderliegenden Ereignissen zuerst passiert ist. Es bedeutet auch, daß für zwei Beobachter, die sich voneinander trennen und wieder zusammenkommen, zwischen Trennung und Wiederbegegnung dieselbe Zeit vergangen ist, egal, wie sich sich in der Zwischenzeit bewegt haben. Und es bedeutet auch, daß sich relativ zueinander bewegte Beobachter darüber einig sind, wie lang ein Gegenstand ist.
Einstein hat nun gesagt, daß all dies nicht stimmt. Daß die vergangene Zeit davon abhängt, wie man sich dazwischen bewegt hat, daß die Reihenfolge von weit auseinanderliegenden Ereignissen davon abhängt, wie man sich gerade bewegt, und auch über die Länge von Gegenständen sind sich die Beobachter nicht einig. Das Ganze läßt sich verstehen, indem man erkennt, daß Raum und Zeit nicht unabhängig voneinander sind, sondern Teil einer vierdimanionalen Raumzeit. Die zeitliche Reihenfolge (früher/später) ist dann größtenteils nur noch für den einzelnen Beobachter definiert, genauso wie im Raum "weiter links"/"weiter rechts" nur noch für den einzelnen Beobachter definiert ist (wenn wir uns gegenüberstehen, dann ist das, was für mich weiter links ist, für Dich weiter rechts). Allerdings nicht ganz so schlimm, denn für bestimmte Ereignisse ist die Reihenfolge definiert. Das sind gerade die Ereignisse, die sich kausal beeinflussen können; auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Ursache für alle Beobachter vor der Wirkung kommt. Außerdem hängt die vergangene Zeit vom Weg ab, den man durch die Raumzeit genommen hat, genauso wie die gefahrene Strecke von München nach Hamburg davon abhängt, auf welchem Weg man gefahren ist. Und für relativ zu einem bewegte Gegenstände mißt man in Bewegungsrichtung verkürzte Längen.
Und die SRT sagt eben auch vorraus, daß Masse und Energie Äquivalent sind. Was für sich genommen ein sehr wichtiger Effekt ist, aber nicht der eigentliche Grund, warum die Relativitätstheorie soviel Aufsehen erregt hat (und erst recht könnte diese simple Gleichung nicht erklären, warum es immer noch Anti-Relativisten gibt).
Die Allgemeine RT sagt nun, daß die Raumzeit auch nicht einfach so gegeben ist (in der speziellen RT war sie das noch), sondern ihrerseits von der Materie (genauer, von ihrer Energie und ihrem Impuls) abhängt. Materie krümmt die Raumzeit, und das Ergebnis sind die gekrümmten Bahnen, die wir für fallende Körper beobachten. Diese Krümmung betrifft auch das Licht, und in der Tat war die Lichtablenkung an der Sonne (das "Fallen" des Lichts im Gravitationsfeld der Sonne) die erste Bestätigung der ART. Außerdem bedeutet es, daß in der Nähe eines schweren Körpers "weniger Zeit vergeht" (wenn ich dorthingehe, und dann wieder zurückkehre, dann bin ich weniger gealtert als jemand, der nie in der Nähe des Körpers war).
Für weitere Informationen empfehle ich die Wikipedia-Artikel "Spezielle Relativitätstheorie" und "Allgemeine Relatiwitätstheorie".
Das spannende an Einteins Relativitätstheorien (es gibt nämlich zwei, die spezielle und die allgemeine, obwohl man die spezielle auch als einen Spezialfall der allgemeinen sehen kann, aber genauso kann man die Newtonsche Physik als Spezialfall der RT für kleine Geschwindigkeiten und schwache Gravitationsfelder sehen) ist, daß sie unsere gewohnten Ansichten über Raum und Zeit völlig über den Haufen werfen. Das geht so weit, dass die Frage: "Was passiert jetzt im Moment im Andromedanebel" gar nicht sinnvoll ist!
Ausgangspunkt der RT ist (wie der Name schon sagt) das Relativitätsprinzip. Das ist nicht erst von Einstein gefunden worden, sondern stammt schon von Galilei. Die Aussage ist, daß ein unbewegtes System nicht von einem gleichförmig bewegten System unterschieden werden kann. Das Relativitätsprinzip sorgt z.B. dafür, daß auch im ICE bei voller Fahrt Deine Kaffetasse sich wie gewohnt verhält, und nicht etwa Dir ins Gesicht fliegt, wenn Du sie (in Fahrtrichtung sitzend) vor Dich hinstellst.
Das Problem war, dass die Elektrodynamik (die Theorie, die alle elektrischen und magnetischen Phänomene einschließlich des Lichts beschreibt) dem Relativitätsprinzip scheinbar nicht gehorchte. Sprich: Es sollte so etwas wie absolute Ruhe geben, und wenn Du ein passendes Experiment mit Licht machst, dann solltest Du feststellen können, wie schnell man sich relativ zu diesem System bewegt.
Genau das haben Michelson und Morely mit der Erde (die ja bekanntlich um die Sonne kreist, mithin also eine ganz gewaltige Geschwindigkeit hat) versucht: Sie haben versucht, durch Vergleich der Lichtgeschwindigkeit in verschiedene Richtungen die Geschwindigkeit der Erde zu messen. Das überraschende Resultat war, daß eine solche Geschwindigkeit nicht meßbar war. In der Tat ist es nie gelungen, eine absolute Geschwindigkeit zu messen.
Das war aber ein Problem, denn einerseits funktionierte die Elektrodynamik wunderbar (ok, bis auf ein paar "Kleinigkeiten", die später zur Quantenmechanik führten, aber das ist eine andere Geschichte), andererseits sagten die Gleichungen anscheinend voraus, daß es ein bevorzugtes Bezugssystem geben müsse (man stellte sich damals einen Stoff vor, in dem sich die Lichtwellen ausbreiteten, den sogenannten Äther, der in diesem System ruhen sollte).
Einstein ist nun hergegangen und hat gesagt: "Hey Leuite, ihr seid alle auf dem falschen Dampfer, die Elektrodynamik gehorcht durchaus dem Relativitätsprinzip, nur Raum und Zeit sind eben nicht das, was ihr bisher dachtet!" (natürlich hat er es etwas anders formuliert ;-)
). Und dieses neue Verständnis von Raum und Zeit funktionierte tatsächlich wunderbar. Später hat Einstein es noch einmal verändert, um auch die Gravitation beschreiben zu können, und wieder war es ein Volltreffer.
Ok, was ist nun das Neue an Einsteins Vorstellungen?
Nun, zunächst einmal zur speziellen Relativitätstheorie: Newton dachte noch, daß einen absoluten Raum und eine davon unabhängige absolute Zeit gäbe. Das bedeutet, daß alle Beobachter sich darüber einig sind, welche Ereignisse gleichzeitig stattgefunden haben, oder welches von zwei weit auseinanderliegenden Ereignissen zuerst passiert ist. Es bedeutet auch, daß für zwei Beobachter, die sich voneinander trennen und wieder zusammenkommen, zwischen Trennung und Wiederbegegnung dieselbe Zeit vergangen ist, egal, wie sich sich in der Zwischenzeit bewegt haben. Und es bedeutet auch, daß sich relativ zueinander bewegte Beobachter darüber einig sind, wie lang ein Gegenstand ist.
Einstein hat nun gesagt, daß all dies nicht stimmt. Daß die vergangene Zeit davon abhängt, wie man sich dazwischen bewegt hat, daß die Reihenfolge von weit auseinanderliegenden Ereignissen davon abhängt, wie man sich gerade bewegt, und auch über die Länge von Gegenständen sind sich die Beobachter nicht einig. Das Ganze läßt sich verstehen, indem man erkennt, daß Raum und Zeit nicht unabhängig voneinander sind, sondern Teil einer vierdimanionalen Raumzeit. Die zeitliche Reihenfolge (früher/später) ist dann größtenteils nur noch für den einzelnen Beobachter definiert, genauso wie im Raum "weiter links"/"weiter rechts" nur noch für den einzelnen Beobachter definiert ist (wenn wir uns gegenüberstehen, dann ist das, was für mich weiter links ist, für Dich weiter rechts). Allerdings nicht ganz so schlimm, denn für bestimmte Ereignisse ist die Reihenfolge definiert. Das sind gerade die Ereignisse, die sich kausal beeinflussen können; auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Ursache für alle Beobachter vor der Wirkung kommt. Außerdem hängt die vergangene Zeit vom Weg ab, den man durch die Raumzeit genommen hat, genauso wie die gefahrene Strecke von München nach Hamburg davon abhängt, auf welchem Weg man gefahren ist. Und für relativ zu einem bewegte Gegenstände mißt man in Bewegungsrichtung verkürzte Längen.
Und die SRT sagt eben auch vorraus, daß Masse und Energie Äquivalent sind. Was für sich genommen ein sehr wichtiger Effekt ist, aber nicht der eigentliche Grund, warum die Relativitätstheorie soviel Aufsehen erregt hat (und erst recht könnte diese simple Gleichung nicht erklären, warum es immer noch Anti-Relativisten gibt).
Die Allgemeine RT sagt nun, daß die Raumzeit auch nicht einfach so gegeben ist (in der speziellen RT war sie das noch), sondern ihrerseits von der Materie (genauer, von ihrer Energie und ihrem Impuls) abhängt. Materie krümmt die Raumzeit, und das Ergebnis sind die gekrümmten Bahnen, die wir für fallende Körper beobachten. Diese Krümmung betrifft auch das Licht, und in der Tat war die Lichtablenkung an der Sonne (das "Fallen" des Lichts im Gravitationsfeld der Sonne) die erste Bestätigung der ART. Außerdem bedeutet es, daß in der Nähe eines schweren Körpers "weniger Zeit vergeht" (wenn ich dorthingehe, und dann wieder zurückkehre, dann bin ich weniger gealtert als jemand, der nie in der Nähe des Körpers war).
Für weitere Informationen empfehle ich die Wikipedia-Artikel "Spezielle Relativitätstheorie" und "Allgemeine Relatiwitätstheorie".
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