Die Relativitätstheorie - und ihre Auswirkungen auf die Physik


Facharbeit (Schule), 2003
17 Seiten

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Inhaltsverzeichnis

1 Vorwort / Einleitung

2 Äther, was ist das?
2.1 Michelson und Morley Experiment

3 die spezielle Relativitätstheorie
3.1 die Sache mit dem Licht
3.2 Zeitdilatation, Längenkontraktion
3.2.1 Zeitdilatation
3.2.2 Gleichzeitigkeit
3.2.3 Zwillingsparadoxon
3.2.4 Längenkontraktion
3.3 Massezuwachs bei bewegten Gegenständen
3.4 E=mc²

4 die allgemeine Relativitätstheorie
4.1 die Raumkrümmung

5 Formelanhang

6 Quellenanhang

1. Vorwort / Einleitung

Albert Einsteins Relativitätstheorie ist bis heute eine der bedeutendsten und damals die revolutionärste „Überlegung“. Einstein behauptete Dinge, die jedem Menschen absurd erschienen, weil sie einfach schwer zu glauben sind. Dieser Überzeugung war ich auch, bis ich durch diverse Literatur und vor allem durch bildliche Darstellungen, begreifen konnte, was Einstein damals überhaupt wollte. Ich finde es jetzt noch faszinierend dass Einstein damals „feste“ Größen, wie Zeit, Länge und Masse einfach in Frage stellte und mit der Relativitätstheorie den passenden Beweis lieferte. Nicht umsonst gilt Einstein als Copernicus des 20. Jahrhunderts [Quelle: Oberstufe Physik S.397]

1905 veröffentlichte er seine spezielle Relativitätstheorie, in der er sich mit der Aufhebung der Konstanz der Zeit, Länge und Masse beschäftigte, in Systemen, die sich gleichförmig zueinander bewegen. Ein solches System, in dem auch stets dieselben mechanischen Gesetzte wirken, nennt man „Ineritialsystem“.

1916 band Einstein seine Überlegungen der Raumkrümmung, der Gravitation mit ein und legte nicht die Systeme zu Grunde, welche sich mit konstanter Geschwindigkeit zueinender bewegen, sonder diejenigen, denen auch eine Beschleunigung und Verzögerung widerfährt.

Einstein setzte jedoch zwei Postulate voraus:

1) Naturgesetze sind in allen Ineritialsystemen gleichwertig
2) Lichtgeschwindigkeit ist konstant (300.000 km/s) unabhängig vom Beobachtungsstandpunkt.

Die folgenden Seiten, sollen einen Einblick in die Relativitätstheorie geben. Es ist wirklich nicht einfach die passenden Worte zu finden, die es sowohl richtig als auch treffend und einfach erklären, denn es werden fundamentale Dinge, wie die Zeit, die Länge und die Masse, das Licht, der Raum… in Frage gestellt.

2. Äther, was ist das?

Wellen (Erdbeben, Seilwellen…) und Schall, benötigen für Ihre Ausbreitung ein Medium. Wellen benötigen Wasser, oder Erde, der Schall benötigt Luft. Doch welches Medium benötigt das Licht? Diese Frage beschäftigte die Menschheit, oder besser gesagt nur einen Teil von Wissenschaftlern im 17. Jahrhundert.

Newton, stellte sich das Licht als kleine sich schnell bewegende Teilchen (Photonen) vor, während sich der Holländer Christian Huygens auf seine Wellentheorie berief. D.h. er stellte sich die Ausbreitung des Lichts ähnlich vor, wie die des Schalls, bzw. andere Formen von Wellen. Doch wie wir schon wissen benötigt der Schall für seine Ausbreitung ein Medium, die Luft. Daraus folgt, dass eine Ausbreitung des Schalls im Vakuum nicht stattfinden kann. Doch wie verhält es sich mit dem Licht?

Huygens, der weiter an seiner Wellentheorie festhielt, benötigte so ein Medium, das in jedem Gebäude, auf jedem Platz der Erde und im ganzen Weltraum vorhanden sein müsste. Dieses Medium, welches seine Wellentheorie stützen sollte, nannte er Äther.

Newton, der sich einen so großen Energietransport durch Wellen nicht vorstellen konnte, lehnte Huygens Vorstellungen ab.

Erst wurde an der Korpuskulartheorie von Newton festgehalten, bis sich durch Interferenzerscheinungen beim Licht, die Wellentheorie mit der Vorstellung eines Äthers durchsetzte.

Die Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts sahen die Himmelskörper sich durch den Äther bewegen, wie sich Fische im Wasser sehen. Wie Fische das Wasser als stillstehend wahrnehmen, gingen die Wissenschaftler auch von einem Stillstehenden Äther aus, indem sich alle Planeten bewegen.

Merke:

Unter dem „Äther“, verstehen wir ein Medium, welches das Licht zur Fortpflanzung benötigt.

2.1

Mit dem Beweisen des Äthers, beschäftigte sich u.a. der Amerikanische Nobelpreisträger Albert Abraham Michelson und Richard Morley, die sich das Beweisen des Äthers zur Aufgabe gemacht haben.

Sie entwickelten einen Versuchsapparat, mit dem sie eine Interferenz des Lichts beweisen wollten. D.h. sie wollten eine Verschiebung der Interferenz damit beweisen, dass Lichtphotone, durch eine spezielle Anordnung von Spiegeln, durch verschieden Himmelsrichtungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Ziel eintreffen.

Michelson und Morley stellten sich den Äther wie Luft vor. Mit dem Unterschied, dass laut ihren Vorstellungen dieses Medium stillsteht und wir uns darin bewegen. Wenn ein Gegenstand, z.B. ein ferngesteuertes Flugzeug, eine bestimmte Strecke gegen den Wind fliegt und anschließend dieselbe Kilometeranzahl wieder zurückfliegt (Rückenwind), benötigt das Flugzeug länger als wenn es die kompletten Strecken quer zum Wind fliegen würde (Seitenwind).

Michelson und Morley stellten sich den Äther als Wind und das Photon als das Flugzeug vor und erhofften sich durch Ihren Versuch ebenso eine Zeitdifferenz der Photonen, ähnlich der des Flugzeuges.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Doch auch nach zahlreicher Wiederholungen und Verfeinerungen, misslang der Versuch ständig.

Die Physiker Georg Francis Fitzgerald und Hendrik Antoon Lorentz gingen davon aus, dass sich der Abstand der Spiegel im Strom geringfügig, aber ausschlaggebend verkleinern könnte. Daraufhin entwickelten sie eine Gleichung, welche den neuen Plattenabstand berechnet. Diese von Lorentz entwickelte Formel, zur Berechnung des Plattenabstandes, lieferte die Grundlage für die Relativitätstheorie, doch war Lorentz nicht in der Lage die passende Formulierung und Theorie zu beschreiben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Siehe Formelanhang: „Längenkontraktion“

3. Die spezielle Relativitätstheorie

Was verstehen wir unter dem Begriff „Relativität“?

Relativität = Bezüglichkeit, Bezogenheit, Bedingtheit, bedingte Geltung

Albert Einstein, ein in Ulm geborener deutscher Nobelpreisträger, beschäftigte sich sehr mit dem Begriff der Relativität.

Nachdem das Michelson Morley Experiment ständig fehl schlug und so die Existenz des Äthers nicht bewiesen werden konnte, ging Einstein auch davon aus, dass es ein Medium wie den Äther nicht gibt. Diese Erkenntnis hätte Einstein wohl auch ohne das vorherige Scheitern des M. M. Experiments getroffen, da es ist bis jetzt noch nicht nachgewiesen ist, ob Einstein überhaupt von dem Versuch gehört hat, oder selbst wenn, ob er seine Erkenntnis davon abhängig gemacht hat.

Am einfachsten lässt sich der begriff der Relativität an Beispielen und bildlichen Vorstellungen verdeutlichen, denn es ist zum Teil so, dass man von seinen jetzigen Vorstellungen loslassen muss und die Dinge einfach so hinnehmen muss, wie sie wirklich sind, obwohl sie uns „unglaublich“ erscheinen.

Doch bevor wir uns mit den tiefen Einblicken in Einsteins Relativitätstheorie beschäftigen, müssen wir uns noch dem Begriff des „Bezugssystems“ widmen.

Unter einem Bezugssystem verstehen wir ein System mit einem Bezugspunkt. D.h. auf dem Bild sehen wir jemanden auf einem ruhenden Zug stehen (Bezugspunkt) und jemanden, der die Person auf dem Zug von einem anderen Bezugspunkt beobachtet, nämlich vom Bahnsteig.

Wenn der Junge jetzt einen Ball mit der Geschwindigkeit 30 km/h von sich wegwirft, bezieht er dies auf seine Person. Er wirft den Ball eine bestimmte Strecke in einer bestimmten Zeit von sich weg. Bei der Geschwindigkeitsangabe km/h haben wir also auch Bezugspunkte (zurückgelegte Strecke in einer bestimmten Zeit).

Da der Zug stillsteht, wird der außenstehende Beobachter den Ball ebenfalls mit einer Geschwindigkeit von 30 km/h fliegen sehen, da sein Bezugspunkt, der Junge stillsteht. Er kann also genau die Strecke abzählen, die der Ball in einer bestimmten Zeit zurücklegt.

Doch was geschieht, wenn sich der Zug z.B. mit 20 km/h bewegt?

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Junge auf dem fahrenden Zug, wird den Ball, den er mit 30 km/h wirft, auch weiterhin mit dieser Geschwindigkeit wahrnehmen, da er den Bezugspunkt stets bei sich sieht. D.h. er befindet sich in einem geschlossenen Bezugssystem, in dem es ihm egal ist, ob er sich bewegt oder stillsteht. Er bezieht die Geschwindigkeit, die der Ball hat immer auf den Abstand, den der ball in einer bestimmten Zeit zu ihm zurücklegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der außenstehende Beobachter nimmt den Ball allerdings mit 50 km/h wahr (v des Balles relativ zum Werfer + v des Zuges). Der Bezugspunkt des außenstehenden Beobachters, der Junge bewegt sich mit der Zuggeschwindigkeit in Ballrichtung. So werden die Geschwindigkeiten addiert. D.h. obwohl der Ball vom Werfer aus gesehen eine Geschwindigkeit von 30 km/h besitzt, sieht der Beobachter den Ball mit einer Geschwindigkeit von 50 km/h durch die Luft fliegen, da der Ball sich ja schon im Ruhezustand mit 20 km/h fortbewegt. So wird jede Bewegung des Balles ab der Geschwindigkeit von 20 km/h gemessen.

Hier würde schon eine Streitsituation der beiden Personen hervorgerufen werden, denn welche Beobachtung ist denn nun die Richtige? Die 30 km/h vom Werfer aus gesehen, oder die 50 km/h vom Beobachter?

Wir können den Faden jetzt noch weiter spannen und einen dritten Beobachter hinzuholen, der Die Situation, welche auf der Erde stattfand, vom einem Schiff aus beobachtet. Seine Beobachtungsauffassung wird jetzt von seiner Bewegungsrichtung abhängig sein. Bewegt er sich entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Balls (40 km/h)s, wird der Ball von ihm aus gesehen eine Geschwindigkeit von 90 km/h haben (20 km/h + 30 km/h + 40 km/h), während die anderen sich immer noch über ihre Beobachtungen streiten. Beobachtet man jetzt das ganze Geschehen vom Mond, der die Bewegung der Erde noch mit einbeziehen würde, kämen wir auf noch mehr Ergebnisse, für stets dasselbe Ereignis.

Folgerung: Geschwindigkeiten sind immer relativ!

Geschwindigkeiten sind abhängig vom Bezugssystem, vom Beobachter!

Die Antwort auf die Frage, welche Beobachtung doch nun die Richtige sei, kann also nicht beantwortet werden.

Mit diesen Vorkenntnissen, können wir jetzt noch stärker ins Detail gehen. Betrachten wir uns wieder die Zugsituation, allerdings nicht mit einem Ball, der vom Werfer beschleunigt wird, sondern mit Licht. Eine Taschenlampe die vom Ballwerfer eingeschaltet wird. Was werden die Beobachter jetzt wohl wahrnehmen? An dieser Stelle müssen wir allerdings das Verhalten des Lichts ansprechen.

3.1

Es ist wissenschaftlich bewiesen, dass sich Licht mit einer konstanten Ausbreitungs- Geschwindigkeit von 300.000 km/s fortbewegt. Dies legen wir hier ohne einen Beweis einfach mal zu Grunde. Auch müssen wir eine Eigenschaft des Lichts akzeptieren, die uns bestimmt schwerer fallen wird, da es eigentlich absurd erscheint. Das Lichtphoton, das durch eine eingeschaltete Taschenlampe von der Lichtquelle gesendet wird, verhält sich keineswegs so wie der geworfene Ball, aus dem vorherigen Beispiel, obwohl es vom Prinzip her gesehen und mal abgesehen von den Geschwindigkeiten, dass selbe sein müsste. Denn das Licht bewegt sich stets konstant mit 300.000 km/s. Für den Jungen aus dem Zug, der die Taschenlampe betätigt, sowie für den Beobachter am Bahnsteig, für den auf dem Boot und auch für den Mondbeobachter… .

Merke:

Licht bewegt sich unabhängig vom Beobachter mit einer konstanten Geschwindigkeit von 300.000 km/s.

Wenn diese Erkenntnis verarbeitet ist, können wir uns dem eigentlichen spannenden Teil der Relativitätstheorie widmen.

Und zwar der Zeitdilatation und Längenkontraktion.

3.2 Zeitdilatation und Längenkontraktion

Wir sind in unserem Zugbeispiel zu der Erkenntnis gekommen, dass die Geschwindigkeit relativ ist, d.h. sie ist abhängig vom Beobachter.

Jetzt spannen wir den Bogen noch etwas weiter und behaupten, dass die Zeit, sowie die Länge ebenfalls relativ (abhängig vom Beobachter) sind.

Die Verlangsamung der Zeit für bewegte Objekte, relativ zu einem Beobachter ➔ Zeitdilatation

Die „Zusammenstauchung“ bewegter Objekte, rel. zu einem Beobachter ➔ Längenkontraktion

3.2.1

Nehmen wir uns wieder den Zug als Veranschaulichung. Nur diesmal schaltet die Person im Zug, die sich in einem geschlossenen Raum befindet eine Taschenlampe ein und beobachtet das Lichtphoton, welches von der Taschenlampe aus an die Wand gestrahlt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Einfachheit halber nehmen wir sehr fiktive Zahlen an, um es besser veranschaulichen zu können. Denn in diesem Beispiel unterstellen wir dem Zug, dass er 600.000 km lang wäre, damit das Lichtphoton nach 2 sek. am anderen Ende angelangt. Für beide Beobachter kommt das Lichtphoton zur gleichen Zeit am Ende des Zuges an. Später werden wir feststellen, dass der Begriff der Gleichzeitigkeit eigentlich in so einem Zusammenhang nicht richtig ist, aber so ist es anfangs einfacher zu verstehen.

Nehmen wir jetzt wieder an, dass der Zug in Richtung des Lichtphotons fährt. Was werden die Beobachter jetzt feststellen?

Person A, welche sich in einem geschlossenen Raum befindet und womöglich noch nicht einmal weiß das sie sich überhaupt bewegt, wird nach wie vor das Lichtphoton mit einer Geschwindigkeit von 300 000 km/s nach 2 sek. an der Wand eintreffen sehen.

Beobachter B allerdings sieht das Photon, zwar auch mit der gleichen Geschwindigkeit (wegen der vorhin erläuterten Konstante), aber zu einem anderen Zeitpunkt laut seiner Uhr, an der Wand eintreffen sehen. Weil sich das Licht konstant von der Quelle wegbewegt und während dessen, die Wand, an der das Licht eintreffen soll, sozusagen durch den fahrenden Zug, vom Photon wegbewegt wird. Der Zielpunkt des Lichts bewegt sich also vom Photon weg. Nehmen wir einmal an, dass der Zug sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen würde, dann würde das Lichtphoton, vom außenstehenden Beobachter aus gesehen, die Lichtquelle nie verlassen. Trotzdem, dass das Licht für Beobachter B die Quelle nie verlassen würde, ist Beobachter A weiterhin der festen Überzeugung, dass das Photon nach wie vor nach 2 sek. an der Wand eintrifft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2.2

Wir nehmen uns zur Aufgabe, zwei Uhren gleichzeitig zum Laufen zu bringen. Und zwar mit einer so hohen Genauigkeit, dass beide wirklich 100% tig synchron laufen. Wir verwenden einen Lichtsender, den wir in die Mitte der beiden Uhren positionieren (Der Abstand ist 100% tig identisch) und über einen Knopfdruck ein Lichtsignal aussenden lassen, was beide Uhren gleichzeitig erreicht. Werden die Uhren wirklich gleichzeitig gestartet?

Die Antwort lautet Ja, vom Beobachter, der sich auf der Erde (sich mit dem Apparat bewegt)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

befindet und Nein vom Beobachter, der z.B. das Geschehen vom Mond aus beobachtet. Denn dem außenstehende Beobachter widerfährt wider dasselbe Phänomen wie bei dem Zugbeispiel. Das die Uhr sich, in diesem Falle, durch die Bewegung der Erde (des Apparates) vom Lichtphoton sozusagen entfernt, bzw. annähert.

Diese ganzen Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Realität. Es ist scheinbar unglaublich, weil für uns die Zeit eine feste Größe ist, genauso wie ein Zentimeter, oder ein Kilogramm. Aber wir müssen uns von dieser konstanten Vorstellung unserer Umwelt loslösen und akzeptieren, dass die Zeit, sowie Länge und Masse (wird später erläutert) relativ sind und vom Beobachtungsstandpunkt abhängig sind.

Rufen wir uns noch einmal das Zugbeispiel mit der Taschenlampe ins Gedächtnis und ersetzen die Taschenlampe durch die Sonne und die angestrahlte Wand mit der Erde und sagen, dass Sonne zur Erde einen Abstand von 150.000.000 km hat (was der Realität entspricht). Jetzt stellen wir uns einen Erdenbewohner vor, der die Möglichkeit hätte die Sonne per Knopfdruck an bzw. auszuschalten und eine Person, die das ganze Geschehen von außerhalb beobachtet. Da die Geschwindigkeit Strecke durch Zeit ist uns wir die Formel nach der Zeit auflösen, bekommen wir ein Ergebnis von ca. 8 Min heraus, welcher angibt, wir lange das Lichtphoton vom Zeitpunkt des Einschaltens der Sonne bis zur Erde benötigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[8 Min = (150 000 000 km / 300 000 km/s) / 60]

Beide Beobachter sehen das Photon nach 8 Min auf der Erde ankommen, dies ist vollkommen nachzuvollziehen, da es im Prinzip mit dem stehenden Zug Beispiel übereinstimmt. Setzten wir jetzt die Sonne und die Erde in Bewegung, werden wir zur selben Erkenntnis kommen wie in allen anderen Beispielen zuvor… Der außenstehende Beobachter stoppt erst auf seiner Uhr nach 9,5 Min., während die Uhr des mitbewegten Beobachters 8 Min. anzeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fazit: Für den Beobachter läuft die Zeit der Person, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt langsamer! Formel siehe Anhang

Wir als Beobachter stellen fest, dass 9,5 Min laut unserer Uhr gleich 8 Min bei einer Geschwindigkeit von 160.000 km/s, der bewegten Uhr entsprechen. Dieses Ereignis nennen wir Zeitdilatation.

Während von uns als Beobachter aus gesehen, nicht nur die Zeit, sondern auch Bewegungen, das Herz und der Haarwuchs langsamer laufen, stellen die bewegten Personen keinen Besonderheiten fest. Für sie scheint weiterhin alles normal zu verlaufen. Vielleicht werden wir auf der Erde auch gerade von einem Bewohner eines anderen Sternensystems beobachtet, der uns auch unterstellt, dass unsere Zeit viel langsamer läuft als Ihre und wir viel längere Abstände benötigen um zum Frisör zu gehen… und auch kann es sein, dass diese Beobachter auch wiederum beobachtet werden und ihnen das selbe unterstellt wird, was sie über uns behaupten…

3.2.3 Das Zwillingsparadoxon

Um das Ereignis der Zeitdiletaition einmal einen praktischen Zusammenhang zu bringen, ist das Phänomen des Zwillingsparadoxon am anschaulichsten und bringt es ganz einfach auf den Punkt.

Peter, einer der beiden Zwillinge steigt in eine Rakete, während sein Zwillingsbruder Markus auf der Erde bleibt und seinem gleichalten Bruder noch zuwinkt. Peter bewegt sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum und altert, aus der Sicht seines Zwillingsbruders, langsamer. Nun könnte aber auch Markus behaupten, dass er selbst still stünde und sich Peter mit annähernder Lichtgeschwindigkeit bewegt. So wäre Markus der Jenige, der aus der Sicht von Peter langsamer altert als er selbst. Fakt ist aber, das sich Peter einer größeren Beschleunigung unterzogen hat und so ist er auch derjenige, der langsamer alter! Wenn er nach Jahren wieder auf der Erde eintreffen wird, werden sie bemerken, dass bei beiden dieselbe Zeit vergangen ist, doch während sich bei Markus schon graue Harre angesiedelt haben, erfreut sich Peter immer noch an seiner jugendlichen Haarpracht.

3.2.4

Doch mit der Zeitdilatation ist die Relativitätstheorie noch nicht komplett. Jetzt widmen wir uns wieder den selben Beispielen, allerdings unterstellen wir den bewegten Personen nicht mehr, dass ihre Zeit langsamer als unsere läuft, sondern wir behaupten, dass ihr Abstand zwischen Sonne und Erde geringer wird, so dass wir wieder auf einen Zeitraum von 8 Min. kommen.

Frage: „Wieso können wir behaupten, dass der Abstand sich verringert?“

Antwort: „Was hat uns das recht gegeben zu behaupten, dass die Zeit bei bewegten Gegenständen langsamer läuft?“

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Endeffekt wollen wir doch nur rechtfertigen, wie es möglich sein kann, dass das Lichtphoton nach 8 Min. bei der Erde eintrifft, auch wenn sich Sonne und Erde in Richtung des Lichts bewegen. Und da wir ja schon festgestellt haben, dass die Erde sozusagen vor dem Lichtphoton flüchtet, das Photon aber trotzdem nach 8 Min. für die mitbewegte Person ankommen muss, gibt es einmal die Möglichkeit zu sagen, dass deren Uhren langsamer laufen als unsere, oder das die Uhren gleich schnell laufen, aber sich die Strecke verkürzt, die das Lichtphoton zurücklegt. Und genauso wie die mitbewegten Personen behaupten werden, dass ihre Uhren korrekt laufen, werden sie auch behaupten das der Abstand, den sie zur Sonne haben nach wie vor 150.000.000 km beträgt. Und wenn wir nachmessen würden, kämen wir bei einer Geschwindigkeit von 160.000 km/s auf einen Abstand von nur 90.000.000 km.

Fazit: Für den Beobachter wird das bewegte Objekt immer kleiner, je höher seine Geschwindigkeit ist. Formel siehe Anhang

Allerdings nur eindimensional in Bewegungsrichtung. Das Maßband des bewegten Systems, wird zwar kürzer, jedoch nicht höher. Folgerung: Ein Zentimeter im bewegten System entspricht nicht einem Zentimeter in einem ruhenden System. (wobei ein ruhendes System gar nicht nachgewiesen werden kann). Genauso wie eine Sekunde nicht einer Sekunde entspricht. Diese Stauchung von Gegenständen nennen wir Längenkontraktion.

Bemerkung:

Wir sehen weniger, aber finden uns damit ab, dass sich jeder Mensch in einer eigenen Zeit befindet. An dem Beispiel von Peter und Markus akzeptieren wir, dass ihnen, sobald sie wieder auf der Erde vereint sind, ein physischer, Praktischer Altersunterschied widerfährt, da Peter jünger geblieben ist als sein Zwillingsbruder. Doch wenn die Uhr für Peter langsamer gelaufen ist als für seinen Bruder, heißt das noch lange nicht, dass wenn er sich über Lichtgeschwindigkeit bewegt hätte, seine Uhr rückwärts läuft. Dies ist nicht nur aus theoretischer Sicht unmöglich, sondern ist auch eine Geschwindigkeit, die oberhalb der Lichtgeschwindigkeit liegen müsste, nie zu erreichen.

3.3 Massezuwachs bei bewegten Gegenständen

Stellen wir uns wieder den Jungen auf dem Zug vor, der einen Ball wirft und wir als Außenstehende, beobachten das Geschehen beobachten. Nur nehmen wir jetzt anstelle des Zuges eine Rakete und den Ball ersetzen wir durch eine Kanone, die wir in unserer 10.000 km langen Rakete mit 10.000 km/s abfeuern. Die mitbewegte Person, welche die Kugel abfeuert, wird feststellen, dass diese nach genau einer Sekunde am anderen Ende einschlägt, während wir das ganze schon in Frage stellen und mit unseren Vorkenntnissen über Geschwindigkeit und Zeit diese Beobachtung aus den Angeln heben. Da für uns der Vorgang, wie bei dem Licht, länger gedauert hat als in der Rakete selber. Nur mit dem Unterschied, dass es sich nicht um ein Lichtphoton handelt, sondern um eine beschleunigte Kanonenkugel. D.h. die Geschwindigkeit der Kanonenkugel ist jetzt Bezugspunktabhängig und nicht konstant wie beim Licht. Wie in unserem ersten Zug/Ball Beispiel muss die Zuggeschwindigkeit zu der Ballgeschwindigkeit addiert werden um die Ballgeschwindigkeit relativ zum Beobachter zu messen. Da sich aber bei hoher Geschwindigkeit Gegenstände langsamer bewegen, können wir davon ausgehen, dass ein beschleunigter Gegenstand einen Widerstand auf seine beschleunigende Kraft auswirkt. Beispiele zur Verdeutlichung: Rakete: v = 15.000 km/s; Kanonenkugel wird mit 25.000 km/s beschleunigt.

Beobachter in der Rakete: Geschwindigkeit der Kugel = 25.000 km/s.

Außenstehender Beobachter: Geschwindigkeit der Rakete + Geschw. der Kugel, aber da die Zeit in der Rakete relativ zu unserem Beobachter ausgesehen langsamer vergeht, folgt daraus eine geringere Geschwindigkeit der Kugel. Das bedeutet, dass die Kugel ihrer Beschleunigungsquelle einen Widerstand entgegensetzt und so eine höhere Trägheit und folglich eine größere Masse besitzt. Die Kugel wird mit einer Kraft von 25.000 km/s beschleunigt, bewegt sich aber nur langsamer fort. Trägheit entspricht dem Widerstand, den ein Objekt auf eine Kraft ausübt. Je größer die Masse, desto größer auch seine Trägheit (Widerstand).

Vgl. Tischtennisball und Auto. Es wird mehr Kraft benötigt um das Auto in Bewegung zu setzen als einen Tischtennisball. Also hat der TT-Ball weniger Masse als das Auto. Wenn die Kanonenkugel in der fliegenden Rakete beschleunigt wird, wirkt eine Kraft auf die Kugel ein, welche sie mit 25.000 km/s beschleunigt. Da für den Beobachter aber die Kugel länger braucht als eine Sekunde (für den in der Rakete), folgt daraus, dass die Geschwindigkeit geringer als 25.000 km/s betragen muss. Also stellen wir fest, dass die Kugel einen Widerstand auf seine beschleunigende Kraft auswirkt. Folglich besitz die Kugel in der Flugphase eine größere Masse, relativ zum Beobachter.

Fazit: Für den Beobachter wird ein bewegtes Objekt umso schwerer (Massehaltiger), je schneller es sich bewegt. Formel siehe Anhang

3.4 E=mc²

...ist wohl die bekannteste und berühmteste physikalische Formel, die wir bis heute kennen. Schon mit geringen physikalischen Kenntnissen wird jeder erkennen können, dass die Energie aus der Summe der Masse und der quadrierten Lichtgeschwindigkeit besteht. Doch was sagt sie genau aus?

Wenn wir einen Ball werfen, stecken wir Energie, Kraft in den Ball, damit er sich fortbewegt. Wenn wir das jetzt auf die Formel übertragen, stellen wir fest, dass die Masse und die Energie äquivalent sind und ein Massezuwachs, durch die Energiezufuhr die Folge wäre. Jetzt kann man sagen, dass umso schneller sich ein Gegenstand bewegt, desto mehr Energie trägt er mit sich und umso größer wird folglich seine Masse.

Da ein Lichtphoton aus Energie besteht, könnten wir doch eigentlich jetzt die „nicht“ Existenz des Äthers klären und sagen, dass auch das Licht, durch seinen Energiegehalt Masse besitzen muss und sich nicht anders verhält, wie ein Ball, der durch die Luft geschleudert wird. Dieser benötigt ja auch kein Medium und wird nur durch die ihm zugeführte Energie (Bewegungsenergie) bewegt. Doch es gibt noch andere Beziehungen zu dieser revolutionären Formel. Wie z.B. Die Kernspaltung welche Atombomben zur Folge hat. Und auch die Erkenntnis, das es nie möglich sein kann, ein einzelnes Elektron zu „fangen“, da es durch den Ausstoß eines Photons, welches wir ja benötigen um das Elektron überhaupt zu sehen, einen Rückstoß erfährt, der uns den genauen Aufenthaltsort des Elektrons nicht bestimmen lässt.

4. Die allgemeine Relativitätstheorie

Hierzu werde ich lediglich nur kurz Stellung nehmen, da zu Verständnis zwecken, sowie für Physikalische Anwendungen, die spezielle Relativitätstheorie ausreicht. Die ART wird nur zu kosmologischen Zwecken verwendet.

Prinzipiell sagt sie das Selbe aus, mit dem Unterschied, dass wir uns bis jetzt immer nur einen Beobachter in Ruhelage und eine beobachtetes bewegtes System angeschaut haben. Bei der ART gehen wir davon aus, dass sich auch der Beobachter bewegt.

Die ART beinhaltet auch nicht die Beobachtung von Gegenständen, die sich gleich mäßig bewegen, wie bei der SRT, sondern mit denen, denen auch eine Beschleunigung, bzw. eine Verzögerung widerfährt.

4.1 Raumkrümmung

Wenn wir uns den Raum als ein Gummituch vorstellen würden, auf das wir unsere verschiedenen massehaltigen Planeten legen, sehen wir, wie diese Planeten, den Raum, dass Gummituch krümmen. Alle massehaltigen Körper krümmen den Raum und durch ihre hohe Geschwindigkeit und der daraus folgenden Zentrifugalkraft werden sie in festen Umlaufbahnen gehalten und verhindern so, dass sie in den Planeten hineinstürzen. So sollten wir uns nach Einstein, den Raum vorstellen. Da dies wie alle seine Überlegungen zuerst auf Skepsis stieß und es keiner recht glauben wollte, führten sie ein Experiment durch, welches die Raumkrümmung beweisen sollte. Und zwar müssten durch den Raum ja nicht nur Planeten in ihren Umlauf beeinflusst werden, sondern auch das Licht. Sie stellten mit einem Experiment fest, das bei einer Sonnenfinsternis, das Sonnenlicht durch die Masse des Mondes abgelenkt wurde und nicht wie angenommen gerade, sondern gekrümmt verlief, welches eine Verzögerung auf den Beobachter zur Folge hatte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

5. Formelanhang

Formel zur Berechnung der Zeitverlangsamung ➔ Zeitdilatation

Zeit des Photons für den Weg von Sonne zu Erde

relativ zu uns gemessen =

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Herleitung: Buch S. 396/97 (Bild 3)

Formel zur Berechnung der Längenveränderung ➔ Längenkontraktion

Gemessene Länge relativ zu uns =

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Herleitung: Buch S. 396/97 (Bild 3)

Formel zur Berechnung der Massenveränderung

Masse des Gegenstandes der sich relativ zu uns bewegt=

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Herleitung: Buch S. 409

Formel der Gleichwertigkeit von Masse und Energie =

E=mc²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

6. Quellenangabe

Ich versichere den kompletten Text frei formuliert zu haben.

Ich habe keine Zitate verwendet oder Textstellen kopiert.

Alle Veranschaulichungen und Formeln habe ich eigenhändig gestaltet durch Vorlage der folgenden Bücher:

- Einstein Relativitätstheorie von Gerald Kahan, dumont Taschenbücher (Alle Veranschaulichungen außer: Äther (Encarta), „Gleichzeitigkeit“ (Oberstufe Physik) )
- Oberstufe Physik, Cornelsen (Veranschaulichung zu „Gleichzeitigkeit“)

Die Bilder zum Kapitel der Raumkrümmung:

- Internet: http://www.guenter-juergen-winkler.de/juergen-guenter winkler/Physik/ Raumkrummung/Gummituch/gummituch.html
- Internet: Quarks & Co, Die Relativitätstheorie - einfach erklärt (download offline Page)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In memory of Albert!

17 von 17 Seiten

Details

Titel
Die Relativitätstheorie - und ihre Auswirkungen auf die Physik
Autor
Jahr
2003
Seiten
17
Katalognummer
V108321
Dateigröße
751 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Relativitätstheorie, Auswirkungen, Physik
Arbeit zitieren
Kevin Goldhausen (Autor), 2003, Die Relativitätstheorie - und ihre Auswirkungen auf die Physik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/108321

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