Relativitätstheorie kurze Erklärung für Dummies😂?

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Leider ist das nicht so einfach. Aber ich habe mal ein Video heraus gesucht, was dir das Nahe bringen kann:

https://youtube.com/watch?v=FLF-WulNUeM

Um ein Beispiel nochmal zu nennen: Würde ein Mensch mit Lichtgeschwindigkeit von hier weg fliegen und dann nach einiger Zeit wieder kommen, würde er noch frisch und jung sein, während man selbst schon alt ist.

Und es ist sogar so, dass wenn man sich an der Spitze des höchsten Berges befindet, vergeht die Zeit anders als wenn man weit untem im Tal ist. Das ist aber so gering, dass es nur mit Atomuhren zu messen ist. Würde aber bewiesen. Dazu gibt es eine gute Doku von Steve Hawking. Das geht länger, ist aber sehr sehr interessant.

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Kurz und einfach verständlich krieg' ich das nicht hin.
Fachbegriffe und vor allem Gleichungen sparen eine Menge Platz. Da ich nicht weiß, wie viel Du mit Gleichungen anfangen kannst, muss ich mehr „labern“. Ganz ohne komme ich nicht aus:

Den des Koordinatensystems. Wir beschreiben Zeit, Ort und Bewegung, und um das rechnerisch zu fassen, benötigen wir Koordinatensysteme, mit deren Hilfe wie das zahlenmäßig fassen können.

Zwei Koordinatensysteme können relativ zueinander verschoben oder gedreht sein, sich aber auch relativ zueinander bewegen. Wenn sie das allenfalls mit konstanter Geschwindigkeit (Betrag und Richtung, den Betrag allein nenne ich hier meist Tempo) tun und in ihnen keine äußeren Kräfte wirken, nennt man sie Inertialsysteme.

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Die Relativitätstheorie ist eine tiefgreifende Erneuerungen der gesamten Klassischen Physik, vor allem der Mechanik (da geht's um Geschwindigkeiten, Kräfte und so) und der Elektrodynamik (da geht es vor allem um elektrische und magnetische Felder und auch elektromagnetische Wellen, also Licht).

Gelegentlich wird sie als Abkehr von der Klassischen Physik bezeichnet, aber das ist sie nicht. Was sie tatsächlich über Bord wirft, sind gängige „Vorurteile“ wie das von einer „absoluten, mathematischen Zeit“, die NEWTON (entgegen seiner eigenen Behauptung, er stelle keine Hypothesen auf) postuliert hatte, aber eigentlich für „seine“ Physik gar nicht gebraucht hätte.

Die Klassische Physik…

…beruht im Unterschied zur früheren „Protophysik“ bzw. Naturphilosophie erstmals auf übergeordneten Prinzipien, die nach und nach entdeckt wurden. Besonders wichtig sind dabei die Erhaltungssätze für Masse, Imuls und Energie. Eines dieser Prinzipien stammt bereits von GALILEI und heißt das Relativitätsprinzip (RP):

Bewegung ist immer Bewegung relativ zu etwas, das seinerseits als ruhend, aber mit gleichem Recht selbst als bewegt aufgefasst werden kann. KonstanteGeschwindigkeiten lassen sich stets „wegtransformieren“, denn für zwei relativ zueinander geradlinig-gleichförmig bewegte Beobachter gelten dieselben Naturgesetze. Das heißt: Wenn Du in einem fensterlosen Labor physikalische Experimente durchführst, kannst Du keinen „absoluten“ Bewegungszustand feststellen.

Deshalb konnten Menschen so lange glauben, alles drehe sich um die Erde und diese bewege sich nicht.

Die Relativitätstheorie…

…hat eigentlich zwei Teile:

    Die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) heißt „speziell“, da in ihren Rahmen nur Inertialsysteme (stell Dir vor, Dein Labor schwebt irgendwo im Weltraum, und drinnen herrscht Schwerelosigkeit) als Bezugssysteme gelten können. In ihr wird die Zeit „geometrisiert“, sie (mal c, damit die Maßeinheiten stimmen) mit dem Raum zurRaumzeit zusammengefasst und Geschwindigkeiten als Richtungen in der Raumzeit beschrieben.

    Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) heißt „allgemein“, in ihrem Rahmen jedes Koordinatensystem ein Bezugssystem sein kann und Naturgesetze koordinatenunabhängig formuliert sind. Sie geometrisiert die Gravitation als innere Krümmung der in der SRT eingeführten Raumzeit durch Massen. Diese Krümmung macht sich u.a. als Verlangsamung der Zeit in der Nähe großer Massen und durch Lichtablenkung bemerkbar. Das kann so weit gehen, dass selbst Licht einen gewissen Bereich überhaupt nicht mehr verlassen kann und dieser wie ein Loch im Raum aussieht. Daher nennt man solche Bereiche Schwarze Löcher.

Die SRT lässt sich unter geradezu ausschließlicher Berufung auf diese übergeordneten Prinzipien herleiten, insbesondere auch unter Berufung auf das RP. Mit ihr setzte EINSTEIN in diesem Sinne gerade besonders konsequent den von GALILEI und NEWTON eingeschlagenen Weg fort, konsequenter als NEWTON selbst.

Seine Arbeit von 1905 trägt den Titel „Elektrodynamik bewegter Körper“ und befasst sich mit der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Die scheint dem RP auf den ersten Blick zu widersprechen, denn ihre Tempo ist endlich und immer gleich, unabhängig von der Bewegung der Quelle. So müsste es, wenn sich Geschwindigkeiten einfach so addierten, wie wir das gewohnt sind, eigentlich von der Bewegung des Beobachters abhängen, aber experimentell konnte ein solches Verhalten nicht nachgewiesen werden, und das RP fordert, dass es relativ zu jedem Beobachter den Wert c hat.

Das ist nur möglich, wenn z.B. die Zeit nicht unabhängig vom Raum ist, sondern jedes Koordinatensystem eine eigene Zeitachse haben muss. Vor allem muss dieGleichzeitigkeit zweier räumlich getrennter Ereignisse davon abhängen, welches „System“ wir als ruhend ansehen und als Bezugssystem verwenden.

Relativität der Gleichzeitigkeit

Angenommen, Du sitzt in einem Zug und fährst mit dem Tempo v an mir (ich stehe vielleicht an einem Bahnsteig) vorbei, während in dem Moment gerade in gleicher Entfernung Δx vor und hinter Dir zwei stationäre Blitzlampen aufblinken. Für diese Strecke braucht das Licht eine Zeit Δx/c, und das ergibt eine Verzögerung. Da die Strecken gleich sind, muss das Aufblinken auch gleichzeitig gewesen sein.

Dabei haben wir jetzt stillschweigend angenommen, dass wir mich als ruhend ansehen und die Blitzlampen ebenfalls. Du kannst aber auch, besonders wenn Du nach Westen fährst (die Erde dreht sich ja nach Osten), der Zug bewege sich auf einer Art riesigem Laufband und rolle gleichsam gegen die Erddrehung an.

Du kannst also Dich als ruhend und die Lichter als bewegt auffassen. Dann allerdings kommt die vordere Blitzlampe auf Dich zu, war also beim Aufblitzen weiter entfernt als „jetzt“, während sich die hintere Blitzlampe von Dir entfernt, also näher gewesen sein muss. Folglich muss die vordere Blitzlampe nach dieser Interpretation zuerst aufgeblitzt sein, denn wenn Du Dich als ruhend auffasst, müssen beide Signale mit c auf Dich zugekommen sein.
Der Zeitunterschied ist natürlich winzig (nur in der Größenordnung vΔx/c²), aber er ist da. Das ist interessant für die Frage, was „Gegenwart“ eigentlich ist.

Zeitliche und räumliche Entfernungen und die Raumzeit

Wenn Du in Bezug auf den Zug genau senkrecht zur Fahrtrichtung einen Lichtstrahl zwischen zwei Spiegeln im Abstand Δy hin- und herlaufen lässt, läuft der Strahl dabeirelativ zum Bahnsteig leicht im Zickzack und braucht natürlich geringfügig länger für einmal hin- und her als 2Δy/c, nämlich 2Δy/√{c²–v²}. Laut RP musst Du Dich aber als ruhend ansehen können und daher 2Δy/c messen, also muss jede mitgeführte Uhr, selbst Atomuhren oder auch biologische Uhren, um denselben Faktor

(1) 1/γ := √{1 – (v/c)²}

langsamer gehen - man könnte auch sagen, dass Du Dich mit γ durch meine Zeit vorwärts bewegst.

Interessanterweise gilt dasselbe umgekehrt: Wenn wir Dich als ruhend betrachten, müssen wir meine Uhr als langsamer gehend ansehen. Das erscheint widersprüchlich, ist es aber nicht.

Die Situation ähnelt der zweier Autofahrer, die auf einer Piste mit gleichem Tempo u in einem kleinen Winkel α auseinanderfahren. Jeder definiert sowohl seine Vorwärtsrichtung als auch sein Auf-Gleicher-Höhe anders, und der jeweils andere Fahrer fährt in Bezug auf diese Vorwärtsrichtung nur mit u·cos(α) vorwärts und dafür mit u·sin(α) seitwärts.

Daher sieht jeder Fahrer den jeweis anderen zurückfallen, wenn er sich selbst als „vorwärts fahrend“ ansieht. Die Zeit entspricht hier der Vorwärtsrichtung, nur dass der als bewegt angesehene Beobachter in Bezug auf die „Zeitrichtung“ des als ruhend angesehenen schneller statt langsamer fährt (dass Zeit und Raum zusammenzufassen sind, heißt nicht, dass sie identisch wären).

Wenn ich die Zeit messe, die Du zwischen den Blitzlampen brauchst, komme ich natürlich auf 2Δx/v. Da Deine Uhr langsamer läuft, kommst Du auf einen entsprechend kleineren Wert. Falls Du Dich als ruhend betrachtest (und nur dann), musst Du die Strecke zwischen den Blitzlanpen als entsprechend kürzer interpretieren. Wenn ich die Länge des Zuges messe, komme ich auf einen geringfügig kleineren Wert als Du. Betrachte ich mich als ruhend, muss ich das einer geringeren Länge des Zuges zuschreiben. Auch das ist kein Widerspruch.

Die Situation ähnelt der zweier gleich langer Salamis, die in einem gewissen Winkel α zueinander liegen. Wenn ich die eine im rechten Winkel zur anderen anschneide, bekomme ich eine Schnittkante, die um den Faktor 1/cos(α) länger ist als der eigentliche Durchmesser der Salami. Diese größere Länge entspricht der kleineren in unserer Bewegungssituation, die ich deshalb gern als Schrägschnitt durch die Weltwurst bezeichne (das Wort „Weltlinie“ als eine Art „Bahn“ oder „Spur“ eines Objektes in der Raumzeit ist recht geläufig, berücksichtigt aber nicht die Ausdehnung).

Für sich genommen sind also sowohl zeitliche als auch räumliche Entfernungen zwischen zwei Ereignissen „relativ“ (manchmal wird behauptet, die Relativitätstheorie hieße deshalb so), aber eine Kombination von beidem, das so genannte Abstandsquadrat

(2) (cΔτ)² = (cΔt)² – ((Δx)² + (Δy)² + (Δz)²) = (cΔt)² – (Δx)² – (Δy)² – (Δz)²

ist absolut, d.h. es hängt gerade nicht von der Wahl des Bezugssystems ab. Bei Lichtstrahlen ist es 0.
Wenn es positiv ist, kann es theoretisch einen Beobachter geben, für den beide Ereignisse an einem Ort sind, wenn er sich selbst als ruhend betrachtet, und dessen Uhr zwischen ihnen die Eigenzeit Δτ misst.

Wäre die Zeit einfach eine Raumdimension, dann stünde dort ein Pluszeichen anstelle eines Minuszeichens, aber es wäre dann eben auch nicht eine bestimmte „Richtung in der Raumzeit“ ausgezeichnet, die durch v=c gekennzeichnet ist. Die in (1) (und im angehängten Bild) aufgezeigte Geometrie der Raumzeit stammt von EINSTEINS Lehrer Hermann MINKOWSKI.

Der SRT entstammt auch EINSTEINS berühmte Formel „E=mc²“, die nichts anderes bedeutet, als dass Masse und Energie substantiell dasselbe sind. Dass sie in verschiedenen Maßeinheiten angegeben werden, ist ein Artefakt unseres Maßsystems, das entstanden ist, bevor ein bestimmtes Tempo (nämlich c) als universelle Konstante erkannt wurde. Die Masse eines Körpers ist die in ihm gespeicherte Ruheenergie (von dem das meiste übrigens Bindungsenergie zwischen sogenannten Quarks ist). Im Umkehrschluss ist jede Energie träge und reagiert auf Gravitation, was zu Abweichungen von NEWTONs Gravitationstheorie führt.

Beschleunigung und Gravitation

Schon GALILEI fiel auf, dass alle Körper - so sie nicht durch den Luftwiderstand gebremst werden - gleich schnell fallen und das insbesondere nicht von der Masse abhängt. Das liegt daran, dass sowohl die Kraft, mit der ein Körper von der Erde (oder einem anderen Himmelskörper) angezogen werden, als auch die zu einer bestimmten Beschleunigung erforderliche Kraft der Masse proportional sind: Schwere Masse gleich träge Masse.

Alle sonstigen Kräfte, die zur Masse proportional sind, treten nur als sogenannte Trägheitskräfte, manchmal auch Scheinkräfte genannt, in beschleunigten Systemen auf. Die bekanntesten sind die Zentrifugalkraft und die CORIOLOSkraft.

Das brachte EINSTEIN auf die Idee, die Gravitation auch als eine Art Trägheitskraft beschreiben zu wollen, und er formulierte das Äquivalenzprinzip, das Grundlage der ART ist.

Wenn Du in einem Raumschiff im freien Weltraum gleichförmig beschleunigst, wirst Du eine gewisse Schwere spüren. Tatsächlich kannst Du behaupten, das Raumschiff beschleunige gegen ein homogenes Gravitationsfeld an, in dem nahezu alles andere frei fällt, und sei stationär.

In jedem Fall wird eine „unten“ positionierte Uhr etwas langsamer laufen als eine, die „oben“ positioniert wurde, und ein Lichtsignal wird auf dem Weg nach „oben“ rot- und auf dem Weg nach „unten“ blauverschoben, was je nach Interpretation eine Doppler- oder Gravitationsrot- bzw. -blauverschiebung darstellt.

Weit hinter dem Raumschiff wird die Rotverschiebung total, d.h. Licht, das von dort kommt, verliert seine gesamte Frequenz und kann Dich gar nicht mehr einholen, und dort scheint aus Deiner Sicht die Zeit stehenzubleiben. Dies nennt man einen Ereignishorizont und ist in diesem Fall ein Artefakt Deiner Beschleunigung.

Diese Gravitation hat noch nichts mit innerer Krümmung der Raumzeit zu tun, denn das Feld ist ja homogen.

Es ist wie bei einem Blatt Papier, das ebenso wenig eine innere Krümmung aufweist, auch wenn man es etwa zu einem Zylinder zusammenrollt. Zylinderflächen haben die innere Krümmung 0, und das sieht man insbesondere, wenn man ein Dreieck darauf zeichnet und die Winkelsumme misst oder den Radius eines darauf gezeichneten Kreises mit seinem Umfang vergleicht (Dreieck und Kreis dürfen natürlich nicht zu groß sein, bzw. das Papier nicht zu eng zusammengerollt).

Eine wirkliche Krümmung der Raumzeit macht sich durch inhomogene Felder bemerkbar, wie sie in der Nähe realer Himmelskörper auftreten.

Ein Effekt ist die Ablenkung von Licht, das etwa an der Sonne vorbei muss. Die dahinter stehenden Sterne scheinen weiter auseinander zu stehen. Hinter Galaxien gibt es sogar schon mal Doppelbilder von anderen Galaxien dahinter, weil ihr Licht auf mehreren Wegen gleichzeitig den Betrachter erreicht. Ein Extremfall sind die bereits erwähnten Schwarzen Löcher, die durch einen - in diesem Falle aber absoluten - Ereignishorizont gekennzeichnet sind.

Die übliche Erklärung, dass dort die Fluchtgeschwindigkeit gleich c werde, greift nicht, denn das spräche nicht dagegen, dass Licht von dort wenigstens eine endliche „Entfernung“ erreichen könnte, wie ein hochgeworfener Stein. Die NEWTONsche Gravitationstheorie kennt keine Ereignishorizonte.

 - (Physik, Realschule, Zeitreise)

Einstein hatte mehrere physikalische Grundtheorien, die aber Erklärungslücken aufwiesen, einfach mal grundsätzlich in Frage gestellt und sich durch monatelanges Nachdenken eine Theorie gebastelt, in der er alles unter einen Hut bringen konnte: "Die Relativitätstheorie"

Dort ist allein die Lichtgeschwindigkeit die Konstante. Es gibt aber theoretische Spekulationen was geschehen würde, wenn man diese Konstante überschreiten könnte: man würde sich erheblich ausdehen und die "Zeit" liefe rückwärts. Kann man aber nun mal nicht ! Sonst wäre es ja keine Konstante.

Bisher konnte diese Theorie nicht widerlegt werden, im Gegenteil. Was aber nicht bedeutet, dass sie vielleicht doch "viel zu einfach" ist. Dass die Mathematiker dann wilde Formeln dafür entwickelt haben, ändert nichts an der eigentlichen Idee.

Vielleicht "denkt" "Gott" doch nicht ganz so einfach ? Immerhin sind wir z.B. noch Lichtjahre davon entfernt, die Funktionsweise des menschlichen Gehirns zu verstehen.

Das einzige was wir sind, ist grenzenlos überheblich: "Machet Euch die Erde untertan !" galt nur zu den Zeiten des alten Testaments und steht heute komplett auf dem Kopf. Das haben sich nur "dumme" Menschen mal ausgedacht, und sonst nichts.

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