Spezielle Relativitätstheorie
Die spezielle Relativitätstheorie (SRT) ist die für die Physik grundlegende Theorie über die Bewegung von Körpern und Feldern in Raum und Zeit. Sie erweitert das von Galileo Galilei entdeckte Relativitätsprinzip der Mechanik zu dem von Albert Einstein formulierten speziellen Relativitätsprinzip. Diesem Relativitätsprinzip zufolge haben bezüglich jedes Inertialsystems nicht nur die Gesetze der Mechanik, sondern alle Gesetze der Physik dieselbe Form. Dies gilt insbesondere auch für die Gesetze des Elektromagnetismus in Form der Maxwell-Gleichungen, aus denen folgt, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in jedem Inertialsystem denselben Wert hat.
Damit lässt sich aus dem Relativitätsprinzip folgern, dass Längen und Zeitdauern (also die Abstände zwischen zwei Raum- bzw. Zeitpunkten) vom Bewegungszustand des Beobachters abhängen und es in der Physik keinen absoluten Raum und keine absolute Zeit gibt. Dies zeigt sich bei der Lorentzkontraktion und der Zeitdilatation. Eine weitere wichtige Konsequenz der SRT ist die Äquivalenz von Masse und Energie.
Als Geburt der speziellen Relativitätstheorie wird Einsteins 1905 erschienener Artikel Zur Elektrodynamik bewegter Körper angesehen, in dem er entscheidend über Vorarbeiten von Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré hinausging. Da sich die Theorie mit der Beschreibung relativ zueinander bewegter Bezugssysteme und mit der Relativität von Zeitdauern und Längen befasst, wurde sie bald als „die Relativitätstheorie“ bekannt. 1915 wurde sie von Einstein in spezielle Relativitätstheorie umbenannt, als er die allgemeine Relativitätstheorie (ART) veröffentlichte. Diese schließt, anders als die SRT, auch beschleunigte Bezugssysteme und die Gravitation mit ein.
Die SRT wurde später durch viele Tests bestätigt.
Einführung[Bearbeiten]
Die Gesetze der klassischen Mechanik haben die besondere Eigenschaft, in jedem Inertialsystem gleichermaßen zu gelten. Dieses Relativitätsprinzip hatte bereits Galileo Galilei formuliert. Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem der Trägheitssatz gilt. Das bedeutet, dass sich jeder kräftefreie Körper geradlinig gleichförmig bewegt oder im Zustand der Ruhe verharrt. Wenn ein Bezugssystem ein Inertialsystem ist, so ist auch jedes andere Bezugssystem, das sich relativ zum ersten mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ein Inertialsystem. Aus dem Relativitätsprinzip folgt, dass kein Beobachter, der in einem Inertialsystem ruht, etwas von seiner Eigenbewegung bemerkt. „Absolutbewegung“ und „absoluter Stillstand“ sind folglich Begriffe ohne eine physikalische Bedeutung. Wir spüren nichts von der Bewegung der Erde um die Sonne mit 30 Kilometern pro Sekunde und auch im ICE bei voller Fahrt können wir einen Kaffee trinken, ohne dass die Geschwindigkeit von 300 km/h irgendwelche Auswirkungen hat. Die Transformationen (Umrechnungsformeln), mit denen in der klassischen Mechanik von einem Inertialsystem ins andere umgerechnet wird, heißen Galileitransformationen, und die Eigenschaft, dass die Gesetze nicht vom Inertialsystem abhängen (sich bei einer Galileitransformation also nicht ändern), nennt man entsprechend Galilei-Invarianz. Die Formeln für eine Galileitransformation folgen unmittelbar aus der klassischen Vorstellung eines allen Ereignissen zugrundeliegenden dreidimensionalen euklidischen Raumes und einer davon unabhängigen (eindimensionalen) Zeit.
Ende des 19 Jahrhunderts wurde jedoch erkannt, dass die Maxwell-Gleichungen, die sehr erfolgreich die elektrischen, magnetischen und optischen Phänomene beschreiben, nicht Galilei-invariant sind. Das bedeutet, dass sich die Gleichungen in ihrer Form verändern, wenn eine Galilei-Transformation in ein relativ zum Ausgangssystem bewegtes System durchgeführt wird. Insbesondere wäre die Lichtgeschwindigkeit vom Bezugssystem abhängig, wenn man die Galilei-Invarianz als fundamental betrachtete. Die Maxwell-Gleichungen wären demnach nur in einem einzigen Bezugssystem gültig, und es sollte durch Messung der Lichtgeschwindigkeit möglich sein, die eigene Geschwindigkeit gegenüber diesem System zu bestimmen. Das berühmteste Experiment, mit dem versucht wurde, die Geschwindigkeit der Erde gegenüber diesem ausgezeichneten System zu messen, ist der Michelson-Morley-Versuch. Kein Experiment konnte jedoch eine Relativbewegung nachweisen.
Einstein löste das Problem, indem er auf der Grundlage von zwei neuen Postulaten die spezielle Relativitätstheorie entwickelte.
Zitat
Die Gesetze, nach denen sich die Zustände physikalischer Systeme ändern, sind unabhängig davon, auf welches von zwei relativ zueinander, in gleichförmiger Translationsbewegung befindlichen Koordinatensystemen diese Zustandsänderungen bezogen werden.
2. Jeder Lichtstrahl bewegt sich im „ruhenden“ Koordinatensystem mit der bestimmten Geschwindigkeit V, unabhängig davon, ob der Lichtstrahl von einem ruhenden oder bewegten Körper emittiert wird.
Das erste Postulat, auch „Relativitätsprinzip“ genannt, besagt, dass in allen Inertialsystemen die gleichen physikalischen Gesetze gelten. Das zweite Postulat drückt aus, dass die Lichtgeschwindigkeit (von Einstein mit V, heute mit c bezeichnet) nicht vom Bewegungszustand der Lichtquelle abhängt. Nimmt man beide Postulate zusammen, so folgt daraus unmittelbar, dass die Lichtgeschwindigkeit für jeden Beobachter, unabhängig von dessen Bewegungszustand, denselben Wert hat.
Vor diese Postulate setzt Einstein eine präzise Definition des Begriffs „Gleichzeitigkeit“. Aus dieser Definition folgen die Relativität der Gleichzeitigkeit und Regeln dafür, wie Ereignisreihen, die an verschiedenen Orten stattfinden, zeitlich miteinander verknüpft werden können. Auf dieser Grundlage zeigt die SRT mit Hilfe von Gedankenexperimenten, dass die Galilei-Transformationen durch die Lorentz-Transformationen ersetzt werden müssen. Die Lorentz-Transformationen verändern Raum und Zeit gemeinsam und zeigen, dass scheinbar offensichtliche Annahmen über Raum und Zeit nur unter bestimmten Bedingungen zutreffen. Bei den Geschwindigkeiten, die wir im Alltag erleben, sind die Unterschiede zwischen Galilei-Transformation und Lorentz-Transformation kaum messbar, so dass die klassischen Gesetze der Mechanik und unser intuitives Verständnis von Raum und Zeit korrekt erscheinen. Wenn sich aber ein Objekt oder Bezugssystem relativ zu einem anderen mit einer Geschwindigkeit bewegt, die genügend nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt, dann treten relativistische Effekte auf, die nur mit einem deutlich erweiterten Verständnis von Raum, Zeit und Energie erklärt werden können.
Die Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie wurden experimentell vielfach erfolgreich überprüft und mit hoher Genauigkeit bestätigt.
