Was davon (aus dem Video) ist jetzt genau die Relativitätstheorie?

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9 Antworten

Das Video behandelt die Relativitätstheorien (RT) leider in ähnlich »konventioneller« Art, wie ich sie seinerzeit als Kind gelernt habe (nicht in der Schule, natürlich, sondern von meinem Großvater, der kein Physiker war), aus Büchern und auch aus Sendungen wie »Unser Kosmos«.

Das ist alles nicht falsch, enthält aber einige irreführende Formulierungen, die dem Hörer den Eindruck vermitteln, da würde gezogen und gepresst, um etwas sonst nicht Passendes wieder passend zu machen, und außerdem wird die wichtigste und dramatische Konsequenz - die sog. Relativität der Gleichzeitigkeit - außer Acht gelassen und auch nicht darauf eingegangen, dass Raum und Zeit ein Ganzes bilden.

Auch wird die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit hier als das Urpostulat der RT dargestellt, sie ist aber herleitbar.

Das der RT zugrunde liegende Prinzip entstammt nämlich der klassischen Mechanik, sie stammt von keinem Geringeren als Galileo Galilei: Das Relativitätsprinzip (RP).

Galilei war überzeugt vom heliozentrischen Weltbild des Nikolaus Kopernikus, das viele seiner gelehrten Zeitgenossen deshalb ablehnten, weil es der Intuition widersprach, dass man von einer so schnellen Bewegung doch unbedingt etwas merken müsse. Man muss natürlich nicht, denn

In einem Koordinatensystem K_A und in einem anderen, relativ zu K_A mit einer Geschwindigkeit |v› bewegten Koordinatensystem K_B gelten dieselben Naturgesetze.Ein relativ zu B ruhender Beobachter B wird von seiner Geschwindigkeit an sich also nichts merken und kann mit demselben Recht sagen, dass sich K_A relativ zu K_B mit –|v› bewegt. Konstante Geschwindigkeiten lassen sich gemäß der klassischen Mechanik mit den Galilei-Transformationen (GT)

(1.1) t_B = t_A =: t
(1.2) |x›_B = |x›_A – |v›·t

»wegtransformieren«. Räumliche und zeitliche Abstände lassen die GT invariant.

Wir machen einen Zeitsprung von rund 200 Jahren. Im 19. Jahrhundert wurde nicht nur immer klarer, dass Licht ein Wellenphänomen ist, sondern auch, dass es sich um elektromagnetische Wellen handelt. Ihre Ausbreitung wird nicht nur wie bei Schall von irgendwelchen Materialeigenschaften und der Bewegung des Materials selbst, sondern von grundlegenden Naturgesetzen bestimmt, die James Clerk Maxwell in 4 fundamentalen Gleichungen formuliert hatte, welche die Feldkonstanten ε₀ und μ₀ enthalten. Dass sich elektromagnetische Wellen im materiefreien Raum mit einer konstanten Geschwindigkeit c = (ε₀μ₀)^{–½} ausbreiten, ist Konsequenz aus Naturgesetzen und damit selbst ein Naturgesetz.

Da sich die Gesetze der Mechanik und der Elektrodynamik nicht voneinander trennen lassen, muss das RP folglich entweder nur bei kleinen Geschwindigkeiten relativ zu einer Art Supersubstanz namens Äther gelten, oder es ist allgemeingültig, dann aber auch für die Elektrodynamik. Folglich muss c in beiden Koordinatensystemen dieselbe sein, und das geht eben nicht, wenn räumliche und zeitliche Abstände für sich genommen doch nicht  invariant sind. Es muss also eine Transformation her, die

  • c invariant lässt,
  • aus der (1) als v ≪ c - Näherung hervorgeht und
  • deren Umkehrung eine gleichartige Transformation zu v_{AB} = –v ist.

Eine solche Transformation ist die Lorentz-Transformation

(2.1) ct_B = γ(ct_A – ‹v|x›_A/c)
(2.2) |x›_B = |x›_{A, trv.} + γ(|x›_{A, lng.} – |v›·t),

wobei »trv.« und »lng.« für »transversal« und »longitudinal« (bezüglich der Richtung von |v›) steht und

(3) γ = 1/√{1 – β²} mit β = v/c

ist. Diese Transformationen lassen nunmehr eine Kombination räumlicher und zeitlicher Abstände invariant, nämlich

(4) c²Δt² – ‹Δx|Δx›.

Die sogenannte Zeitdilatation und die sogenannte Längenkontraktion erweisen sich beide als Projektionseffekte.

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Die Relativitätstheorie gliedert sich in zwei Äste:

- in die spezielle (veröffentlicht 1905) und

- in die allgemeine (veröffentlicht 1915)

Die Kernaussagen beider Theorien lauten, sehr vereinfacht:

SRT - LG ist höchstmögliche Geschwindigkeit in diesem Universum und Zeit ist keine Konstante.

ART - Masse krümmt den Raum und beeinflusst durch das Gravitationsfeld (Schwerefeld) die Zeit. Am Grund des Gravitationstrichters vergeht sie langsamer als am oberen Ende.


Die SRT ist die Theorie über die Lichtgeschwindigkeit. Sie ist die höchste Signalgeschwindigkeit, unabhängig davon, in welchem Bezugssystem sie gemessen wird und kann von keinem materiellen Körper in diesem Universum erreicht oder überschritten werden.

Bei Annäherung an die LG vergeht die Zeit des sich bewegenden Körpers, z. B. eines Raumschiffes, langsamer als die eines ruhenden, z. B. der Erde. Bei Erreichen der LG wäre die verstrichene Zeit gleich Null und damit ließen sich für die Besatzung alle Entfernungen (die sich für die Raumfahrer auch noch verkürzen würden) bis an die Grenzen des Universums in Nullzeit zurücklegen.

Die ART ist die Theorie über die Gravitation, also die Anziehungskräfte von Körpern (Massen). Masse krümmt den Raum, so dass eine gerade Linie keine Gerade gem. der euklidischen Geometrie ist, sondern der Raumkrümmung folgt. Die konnte anhand der Beobachtung von sog. „Gravitationslinsen“ beobachtet werden.


E = mc² besagt nichts anderes, als dass Masse und Energie nur zwei unterschiedliche Seiten der gleichen Münze sind und ineinander umgewandelt werden können, wobei hier wieder die LG (c) ins Spiel kommt.

Dieser Prozess ist dafür verantwortlich, dass die Sterne leuchten, findet aber auch in Kernreaktoren und Kernwaffen (sowohl bei der Kernspaltung als auch bei der Kernfusion) statt.

Das sollte für einen Vortrag reichen, bei dem es ja wohl mehr um die Person Albert Einstein geht, als um eine ausgefeilte Darstellung relativistischer Physik.

Soll es tiefer in die Materie gehen, schau mal beim DLR vorbei und gib in die Suchmaske "Relativitätstheorie" ein. 

Ansonsten hilft nur ein Physikstudium weiter. 

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Die grundsätzlichen Feststellungen der RT sind im Prinzip die von Einstein aufgestellten Axiome.

1. Die Lichtgeschwindigkeit ist absolut und in allen Inertialsystemen gleich

2. Alle Inertialsysteme sind gleichwertig.

Inertialsystem bezeichnet hierbei einfach ein sich gleichmäßig bewegendes System, etwa einen Zug der konstant 60 km/h fährt. Diese beiden Aussagen hat Einstein für whar angenommen und wahr bereit, dafür ein paar der intuitiven, euklidisch-newtonschen Zusammenhänge aufzugeben. Allein aus diesen beiden Annahmen folgen alle anderen Folgerungen wie z.B. die Längenkontraktion, die Zeitdilatation oder (mit etwas tieferen Überlegungen) E=mc^2. Einige Zeit später hat Einstein die Theorie dann zur Allgemeinen RT erweitert und u.a. die Gravitation mit einbezogen. Die meisten Populärwissenschaftlichen Erklärungen beziehen sich aber lediglich auf die spezielle Relativitätstheorie. Einsteins Verdienst ist sicherlich das erdenken und akzeptieren der neuen Vorstellung von Raum und Zeit. Mathematisch geschickt formuliert hat es dann Minkowski.

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Kommentar von SlowPhil
13.07.2016, 07:28

Im Grunde genommen ist 1. aus 2. herleitbar. Aus den Maxwell'schen Gleichungen geht die Wellengleichung für Licht hervor, und wenn Erstere fundamentale Naturgesetze sind, so müssen es fundamentale Schlussfolgerungen auch sein.

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Die Grundaussage der speziellen Relativitaetstheorie ist das das Licht sich mit der Lichtgeschwindigkeit c bewegt und dies fuer jeden Beobachter. Dies steht im starken Widerspruch zur klassischen Mechanik.

Beispiel: Klassisch bewegt sich ein Auto mit 100km/h im Vergleich zum Untergrund. Wenn ich mit 40km/h in dieselbe Richtung fahre, bewegt es sich relativ zu mir mit nur zusaetzlichen 60km/h. Fuer einen Lichtstrahl hingegegen gilt, dies nicht; das Licht bewegt sich fuer den stehenden Beobachter mit c und fuer mich im Auto ebenfalls mit c.

Die Aussagen der speziellen Relativitaetstheorie sind identisch mit denen der Aether-Theorie von Lorentz, die einen nicht spuerbares Referenz-System fuer das Licht annimmt und die daraus resultierenden Probleme mit Laengenkontraktionen etc. loest. Unter Anderem daher hat Einstein auch fuer die Relativitaetstheorie keinen Nobelpreis bekommen ;)

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Einstein hat 2 Theorien aufgestellt. Die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie.

Erstere erklärt die Relation zwischen Zeit, Bewegung und Masse. Dabei ist Licht die sich am schnellsten bewegende Einheit im Raum.

Zweitere sagt aus, dass Energie die Raumzeit in ihrer Umgebung krümmt. Ein Objekt, auf den dann gravitative Kräfte wirken, bewegt sich auf einer Geodäte (also zwischen zwei Punkten in der Raumzeit).

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Die Relativitätstheorie ist nichts aus einem Video, sondern die gängige Bezeichnungen für 2 Arbeiten Albert Einsteins.

Solange du das nicht klar im Kopf hast, sind alle Fragen und Antworten hyperliquid.

Es ist schon schwer verständlich, dass aus der absoluten (also von nichts abhängigen) Konstanz der Lichtgeschwindigkeit die Relativität folgt, oder gleich zwei davon,
1. die Spezielle Relativitätstheorie
2. die Allgemeine Realtivitätstheorie

Einsteins Verdienst ist es, dass das es unbefangen gesehen hat:
Wenn da irgendwo was nicht zusammenpasst, wenn sich auf einer Bühne in einer Vorstellung einige Darsteller merkwürdig benehmen, unverständlich sogar ...
... dass das an der Bühne liegen könnte, oder an der Vorstellung.
Nicht an den Darstellern.

Mit andern Worten, Raum und Zeit sind eben keine feste Bühne oder eine genau choreographierte Vorstellung.
Sie sind Mitspieler, im Schauspiel des Kosmos.

Vieles war vorher bekannt, sogar die Lorentz-Transformation.
Nur Einstein war vorurteilsfrei genug, die Deutung zu finden - oder zu wagen.

Und mal ganz davon abgesehen, du hast nicht die Position, von "wir" oder "uns" zu sprechen.
Lerne, oder lass es bleiben.

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Kommentar von jayge13
12.07.2016, 21:51

Ich habe nicht die Position von "wir" oder "uns" zu sprechen? Wie ist das denn gemeint? Kannst du das bitte erklären?

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Hi,

natürlich kann man das.

Die Relativitätstheorie befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Sie besteht aus zwei maßgeblich von Albert Einstein geschaffenen physikalischen Theorien, der 1905 veröffentlichten speziellen Relativitätstheorie und der 1916 abgeschlossenen allgemeinen Relativitätstheorie.

Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Raum und
Zeit aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen, und die damit verbundenen Phänomene.
Darauf aufbauend führt die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück, die unter anderem durch die beteiligten Massen verursacht wird.

Nachlesen kannst du das alles hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Relativit%C3%A4tstheorie

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Würde ich die Relativitätstheorie nicht kennen, würde ich dieses Video auch nicht ganz verstehen;). Bei der SRT( spez. Relativitätstheorie) wird die Längenkontraktion und die Zeitdilatation angesprochen. Man muss sich das so vorstellen. Licht ist eine Konstante und braucht ca 300000km/s. Lassen wir eine Rakete mit 0,99 mal Lichtgeschwindigkeit fliegen und sie ist 300000km breit , braucht das Licht 1 Sekunde, um eigentlich zu der anderen Seite zu kommen . Stell dir das wie ein Quadrat vor. Nach oben und nach rechts sind es 1 cm, aber diagonal sind es fast 1,2 cm.
So ist es mit Licht.
Da das Licht einen längeren Weg braucht MUSS die Zeit im Raumschiff relativ auserhalb langsamer verlaufen; da die c (Lichtgeschwindigkeit) eine Konstante ist.

Bei der Längenkontraktion (LK) scheint die Rakete kürzer zu sein, wenn wir auf der Erde sind und die Rakete mit v=0,99×c an uns vorbeifliegt. Das ist jetzt ein Beispiel gewesen. Wenn wir aber von der Erde die Rakete messen würden, würden wir die Rakete wirklich KÜRZER messen. Man kann sagen dass der Raum der Rakete relativ zu uns gestaucht wird .

Bei E=mc(hoch2) (Masse-Rnergie-Aquivalenz) wird die gesamte Energie in eine Masse beschrieben die keinen Impuls erfährt. Jetzt fragt man sich wohl: Eine 1 kg schwere Kugel aus Metall , die sich nicht bewegt soll etwa 300 MegaJoule in sich tragen? Da muss man von jedem einzelnen Atom bis zu den Protonen und Neutronen bis zu den Quarks miteinbeziehen und deren Wechselwirkungen und Starken Kräfte. Da könnte man sich schon doch vorstellen dass diese Formel stimmen könnte. Diese Formel gilt nur für ruhende Objekte und Massen!

Albert Einstein verallgemeinerte diese 3 Theorien mit der Gravitation.
Stell dir das so vor : du hast eine Karierte-
Ebene (Raum-Zeit-Ebene) und legst jetzt eine schwere Masse rein ,wie eine Sonne ,dann krümmt sich der Raum nach "unten" zur Mittelpunkt der Sonne. Nur von der 2 demensionalen Ebene betrachtet kann man erkennen dass sich mehr "Quadrate" an der Sonne stauchen als sonst. (Der Raum krümmt sich, daher Längenkontraktion).
Wegen der Zeitdilatation weis ich grad selber nicht warum die Zeit langsamer vergeht, vielleicht wegen der Stauchung des Raumes...

Kurz gefasst:
Bei der Zeitdilatation kann man die von einem Beobachter gesehenen Ereignisse in die Form transformieren, in der sie einem anderem, relativ zum ersten bewegten Beobachter erscheint (Das ist eigentlich der Lorentz-Faktor, aber so ziemlich das selbe)

Bei Längenkontraktion wird der Raum vom Beobachter relativ zum anderen Beobachter, der eine relative hohe Geschwindigkeit zum 1 Beobachter hat, gekrümmt.

Bei der Masse-Energie-Aquivalenz wird die GESAMTE Energie der relativen ruhenden Masse beschrieben. Dabei meint man die Starke Kernkraft und Die Wechselwirkung zwischen Quarks und anderen kräfte

Hoffe ich konnte dir helfen :)

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