Spezielle Relativitätstheorie einfach erklärt?
Hallo kann jemand die Relativitätstheorie erklären bzw. Hat sie überhaupt verstanden. Beschäftige mich schon jetzt länger damit aber blicke da einfach nicht richtig durch.
5 Antworten
Hallo ariagran,
ich nehme an, dass Du mit „einfach“ nicht unbedingt „kurz“ meinst, denn das ist nicht miteinander vereinbar.
Wichtig ist m.E. aus heutiger Sicht, sich falsche oder irreführende Vorstellungen erst einmal aus dem Kopf zu schlagen.
Irreführend sind Termini wie „Zeitdilatation“ und „Längenkontraktion“. Sie suggerieren ein gewalttätiges Gezerre und Gequetsche, das mit der Speziellen Relativitätstheorie nichts zu tun hat.
Stell Dir modellhaft eine Zeichnung vor, über die Du eine karierte Folie mit einem Achsenkreuz legst. Der Schnittpunkt der Achsen wird üblicherweise O genannt. So kannst Du jedem Punkt P in der Zeichnung Koordinaten geben, zwei Zahlen, die seine Position relativ zu O beschreiben, eine „seitwärts“ (x) und eine „vorwärts“ (z).
Wenn Du jetzt die Folie um einen Winkel θ um O drehst, ändern sich die Koordinaten aller anderen Punkte einschließlich P, aber die Zeichnung selbst ändert sich überhaupt nicht. Außerdem bleibt das Abstandsquadrat
(1.1) r² = x² + z²
zwischen O und P (Satz des PYTHAGORAS) oder allgemeiner das das Abstandsquadrat
(1.2) ∆s² = ∆x² + ∆z²
zwischen zwei Punkten P₁ und P₂ gleich. Allerdings ist aus einem reinen Vorwärtsabstand ein schräg-Vorwärtsabstand mit Seitwärtsanteil geworden (in Bezug auf die Folie natürlich) und vice versa. Es ist eine Um-Interpretation.
Die Zeichnung steht sinnbildlich für die Raumzeit, wobei Vorwärtsrichtung für die Zeit und die Seitwärtsrichtung für eine räumliche Richtung steht. Zwischen denen gilt nicht der Satz des PYTHAGORAS, aber sehr wohl ein enger Zusammenhang, der es unmöglich macht, Raum und Zeit getrennt zu beschreiben. Punkte stehen sinnbildlich für Ereignisse.
Grund dafür ist das Relativitätsprinzip, das schon GALILEI aufgestellt hat. Es ist aber auch Grundlage für EINSTEINs Spezielle Relativitätstheorie (SRT).
Zum Vergleich der Verhältnisse in Raum und Raumzeit will ich erst mal ein veranschaulichendes Bild posten, denn in Kommentaren geht das nicht:
und noch eines, in dem zwei unterschiedliche Beobachter als bewegt bzw. ruhend dargestellt sind:
Um in Σ' zu ruhen, müsste man in einem Fahrzeug sitzen (realistischerweise ein Flugzeug), das mit ca. 1000km/h nach Westen fliegt (auf ca. 50° Nord etwas weniger als 1080km/h, also ungefähr 1ppm der Lichtgeschwindigkeit c).
Für einen Insassen dieses Fahrzeugs (mich zum Beispiel) stünde die Sonne ständig an derselben Stelle.
Nach NEWTON addieren sich Geschwindigkeiten vektoriell, d.h., anschaulich kann man Pfeile, die die Geschwindigkeiten darstellen, aneinander hängen.
Rechnerisch addieren sich die einzelnen Komponenten, in die man eine Geschwindigkeit zerlegen kann.
Meine Fahrt- bzw. Flugrichtung kann z.B. als x-Richtung ansehn, die Horizontale quer dazu (Nord-Süd-Richtung) als y-Richtung und die Vertikale als z-Richtung. Dann ist meine Geschwindigkeit in Σ v›=(v|0|0) und Deine in Σ' (-v|0|0).
Jemand, im Auto mit dem Tempo u in y-Richtung unterwegs ist, hat in Σ die Geschwindigkeit (0|u|0) und in Σ' die Geschwindigkeit (v|u|0). Wenn v=1080km/h und u=108km/h ist, ist das eben (1080|108|0)km/h.
Das Tempo ist in Σ' also
1080km/h·√{1² + (1/10)²} = 1080km/h√{1,01} ≈ 1080km/h·1,005 ≈ 1085,4km/h.
Die Umrechnung zwischen Σ und Σ' heißt GALILEI-Transformation und beruht auf dieser Addition von Geschwindigkeiten. Raumzeitlich betrachtet ist das eine Scherung.
In der NEWTON-Version ist somit der Zeitabstand zwischen zwei Ereignissen unabhängig vom Bezugssystem, d.h. Δτ=Δt'=Δt.
Der räumliche Abstand zweier Ereignisse ist nach NEWTON genau dann unabhängig vom Bezugssystem, also Δs'=Δs, wenn sie gleichzeitig sind, also Δt'=Δt=0.
Dass der Zeitabstand zwischen Ereignissen unabhängig vom Bezugssystem sei, kommt uns selbstverständlich vor, erweist sich aber angesichts der Elektrodynamik als voreiliger Schluss.
MAXWELL und die LichtgeschwindigkeitMAXWELL stellte im 19. Jhd. die Grundgleichungen der Elektrodynamik auf. Direkt aus ihnen leitete er die elektromagnetische Wellengleichung her, die aussagt, dass sich die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen einen ganz bestimmten, ausschließlich aus Naturkonstanten bestehenden Betrag c≈3×10^8m/s hat.
Also ist c nicht ein Tempo wie jedes andere auch, sondern ein Naturgesetz und unterliegt dem Relativitätsprinzip. Das heißt, was sich in Σ mit c bewegt, das bewegt sich auch in Σ' mit c und umgekehrt.
Das ist mit dieser Scherung in der Raumzeit, der GALILEI-Transformation nicht vereinbar, und insbesondere mit der absoluten Gleichzeitigkeit.
Relativität der GleichzeitigkeitStell Dir vor, dass sich in einer gewissen Entfernung d westlich und östlich von Dir Blitzlichtlampen befinden, die Du von Deinem Standort aus sehen kannst. Die siehst Du beide zugleich aufleuchten.
- Σ-Interpretation: Weder Du noch die Lampen bewegen sich, das Signal hat also von beiden Lampen aus die Zeit d/c gebraucht.
- Σ'-Interpretation: Du und die Lampen bewegen sich mit der gemeinsamen Geschwindigkeit -v›. Dem Signal der östlichen Lampe bist Du also entgegengekommen, während Dich das Licht der westlichen Lampe einholen musste. Deren Aufleuchten musst Du in Σ' also als früher interpretieren als das der östlichen Lampe.
Wohl bemerkt: Die Ereignisse selbst sind genau dieselben. Wenn Du 100m rechts von mir stehst und ich mich knapp 37° zu Dir hin drehe, bist du danach 80m rechts und 60m vor mir, aber nicht, weil Du Dich bewegt hättest, sondern, weil andere Richtungen als „vorwärts“ und „nach rechts“ bezeichne als vorher.
Die SRT kann man nicht einfach einfach erklären! Je länger ich mich damit beschäftigt habe, um so mehr Gegenargumente habe ich gefunden! Das ist das gefährliche daran, ob wir uns nicht eine Scheinwelt aufbauen.
Je länger ich mich damit beschäftigt habe, um so mehr Gegenargumente habe ich gefunden!
Welche? Das würde mich interessieren, denn die, die ich kenne, beruhen samt und sonders auf Denkfehlern. Immerhin, die intelligenteren von ihnen haben mich zu einem genaueren Verständnis geführt.
Für so Holzhammer-„Argumente“ à la GOM gilt das freilich nicht.
Wenn meine Ansichten nur Holzhammerargumente sind ist es doch unsinnig, sie dir mitzuteilen! Gott sei Dank bin ich ein Freidenker und nicht nur ich alleine zweifle viele "Feststellungen" der SRT an!
Ich habe mich nicht über Deine Ausführungen ausgelassen, die ich ja noch gar nicht kenne, sondern über die von GOM publizierten.
Und die von einem Herrn Ripota.
Die beiden kenne ich leider nicht, aber wenn dir an meiner Meinung gelegen ist, gehe mal auf www.lehrermarktplatz.de und gib "Die Logik der Relativitätstheorie" ein, oder unter meinem Namen.
GOM (G.O. Müller) ist eine Art Projekt. Dessen Protagonisten versuchen nur sehr teilweise, die RT argumentativ zu widerlegen. Auf Argumente lassen sie sich dann ein, wenn derjenige der Prämisse folgt, die RT sei nicht nur falsch, sondern Schwachsinn.
Ripota schrieb Ende der 1990er Jahre für das PM-Magazin gegen die RT und "argumentierte" u.a. dahingehend, dass laut RT eine rotierende Scheibe sich "bei Lichtgeschwindigkeit auf einen Punkt zusammenziehen" müsse.
Was natürlich doppelt unsinnig ist, da sich eine Masse bei höherer geschwindigkeit nicht ändert aber eher auseinander bricht und 2. erzielt eine "Masse" keine Lichtgeschwindigkeit, nicht mal annähernd, weil es die dafür benötigte Kraft nicht gibt!
Was natürlich doppelt unsinnig ist, da ... eine Masse bei höherer geschwindigkeit ... eher auseinander bricht.
Was natürlich passieren würde, aber unsinnig ist Ripotas Bemerkung deshalb, weil er überhaupt von einer "Rotation der Scheibe mit Lichtgeschwindigkeit" gesprochen hat. Eine Scheibe rotiert mit einer Winkelgeschwindigkeit, aber die Bahngeschwindigkeit eines jedem Punktes der Scheibe nimmt nach innen ab.
...und 2. erzielt eine "Masse" keine Lichtgeschwindigkeit, nicht mal annähernd...
Annähernd schon, Elektronen zum Beispiel. Das elektrische Feld muss nur eine hinreichend große Spannung haben.
Deshalb hatte ich "Masse" als normale Masse von Körpern gemeint natürlich nicht von der "Nullmasse" der Elektronen, die sich natürlich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen können
Ein Elektron hat keine Nullmasse, sondern eine endliche, wenn auch extrem kleine Masse. Mit einer Nullmasse dürfte es sich nur mit c bewegen können.
Aber auch größere Massen lassen sich prinzipiell auf Geschwindigkeiten beschleunigen, die gegen c nicht mehr klein sind. Man braucht nur mehr Energie.
Ich habe mir Deinen Text heruntergeladen und schon mal überflogen.
Was mir auffällt, ist, dass Du nur Masse und Länge als elementare physikalische Größen betrachtest - Zeit nicht.
Ich habe zwar mal einen Artikel über einen Physiker gelesen, dessen Theorie komplett ohne das Konzept der Zeit auskommt, aber sie wurde natürlich nicht ausgeführt. Bislang verstehe ich daher nicht, wie das funktionieren soll.
Selbst der Raum selbst ist nicht ohne die Zeit erfahrbar. Die Idee "ich sehe mich um und erfasse alles, was jetzt ist, in einem Augenblick" ist Illusion. Sie entsteht nur dadurch, dass die Zeitspannen, in denen das Licht irdische Entfernungen überbrückt, so kurz sind. Blicke ich etwas 3m von mir Entferntes an, so schaue ich nur 10ns in die Vergangenheit. Bei einem 300m entfernten Objekt ist es 1μs.
Von daher ist die Idee, etwas, das wir gerade sehen, ereigne sich jetzt gerade, so hartnäckig in unseren Köpfen - wider besseres Wissen.
Natürlich ist die Lichtlaufzeit zu berücksichtigen, dass wir unsere Umwelt erst kurz nach der Reflexion am Körper sehen, wenn das Licht bei uns ankommt! Dies geschieht aber permanent und ist für unsere Wahrnehmung damit nicht relevant!
Und natürlich ist die Zeit eine bestimmende Größe für den Ablauf eines Vorgangs, wenn eine "Masse" sich über einen Weg bewegt, aber eben nur sekundär! Nach der Weltlogik der Dualität kann man demzufolge nur von 2 Größen ausgehen, die ich primär mit Masse und Weg erkenne!
Deswegen bin ich mir bei Elektromagnetismus und Gravitation so unsicher! Alle Kräfte (Kraft = Ausdruck der Arbeit) entstammen daraus, aber elektrisches und magnetisches Feld sind ja schon 2 "entgegengesetzte" (um 90°) Felder! Ich kann es aber nicht erklären, das Gravitationsfeld als Spezialfall davon zu sehen. Ich habe es bisher immer als gespeicherte Drallenergie der Planeten bzw. Sonne gesehen, aber manche wie auch die Sonne drehen sich viel zu langsam für ihre große Gravitation! Und mit dem Drall (Elektron) wird ausserdem der Magnetismus erklärt!
Wenn du dich schon länger damit befasst hast, solltest du konkrete Fragen haben. Es bringt ja nichts, wenn wir dir die Texte empfehlen, die du schon gelesen hast. Empfehlenswert sind die Bücher von Roman Sexl. Ausser Sexl/Urbantke, der ist zu schwierig für Einsteiger.
Ausserdem musst du wissen:
- Die Mathematik ist einfach.
- Das Schwierige ist, die falschen Vorstellungen zu überwinden.
- Du musst die Formeln so oft durchrechnen, bis du erkennst, dass alles wunderbar zusammenpasst, wenn du dich einmal von falschen Vorstellungen über Raum und Zeit gelöst hast.
Das Schwierige ist, die falschen Vorstellungen zu überwinden.
Du meinst, man muß an das glauben was man sich nicht vorstellen kann- nicht denken.
Du musst die Formeln so oft durchrechnen, bis alles ..zusammenpasst,
Ja - die Formeln wurden passend gemacht und - es wurde vorgeschrieben, daß nur diese benutzt werden dürfen also
nicht c+v> c sondern c+v=c mit entsprechend zwingend zu vorgeschriebener
Transformationsformel.
So einfach ist das Ganze nicht, wie die unzähligen Zweifel und Hinterfragungen zur SRT belegen.
Völlig falsch! Du sollst eben genau nicht einfach glauben, was der Lehrer dir sagt! Du sollst aber auch nicht einfach blind das weiter glauben, was du bisher gedacht hast. Du sollst vielmehr alle Alternativen zur Relativitätstheorie so lange überlegen, bis du merkst, dass es keine Alternative gibt, die mit den Beobachtungen übereinstimmt.
Wenn du das ganz sorgfältig machst, merkst du, dass es eine Alternative gibt, nämlich die Lorentzianische Interpretation. Diese ist aber nicht weniger seltsam als die Einsteinsche. Nach der Lorentzianischen Interpretation ist die Strecke von A nach B nicht gleich lang wie die Strecke von B nach A.
....was der Lehrer dir sagt!
....Alternativen zur Relativitätstheorie
Ich brauche keinen "Lehrer". Bin über 80 Jahre alt und habe mich schon länger mit der SRT beschäftigt als du alt bist. Schlaumeierei imponiert mir garnicht.
Hier nur die SRT. Die "Alternativen" gibt es. Zu einem "Glauben" (Postulat !) natürlich nicht.
- Die Mathematik ist einfach.
Zumindest ist die der SRT nicht wirklich kompliziert.
- Das Schwierige ist, die falschen Vorstellungen zu überwinden.
Geht so. Es sollte nicht schwierig sein, das Konzept der Raumzeit als Raum aller möglichen Ereignisse einzuführen. Wenn Du ein z.B. Date hast, sind sowohl der Ort alleine als auch die Zeit alleine nutzlos.
Das Konzept lässt setzt nicht die Relativitätstheorie voraus, sondern umgekehrt führt diese zur Erkenntnis, dass sich Raum und Zeit beim besten Willen nicht voneinander trennen lassen.
- Du musst die Formeln so oft durchrechnen, bis du erkennst, dass alles wunderbar zusammenpasst, wenn du dich einmal von falschen Vorstellungen über Raum und Zeit gelöst hast.
Formeln zu können ist zwar wichtig, wenn man eine Vorhersage machen will, aber sehr wahrscheinlich nicht das, was der FS unter "verstehen" versteht. Man kann auch Formeln anwenden, ohne überhaupt eine Vorstellung im Kopf zu haben.
So etwas zu haben ist für viele Menschen eminent wichtig, und sei diese Vorstellung auch noch so gleichnishaft und unzulänglich.
einfach erklärt?
Einfach gibt es nicht - nur lückenhaft, was nichts bringt.
Schau einfach hier, da gibt es auch allgemeine Verständnisantworten und auch die Möglichkeit für dich einiges zu verstehen.
Einfach gibt es nicht - nur lückenhaft, was nichts bringt.
,,Einfach" muss nicht ,,kurz" heißen. Im Fall der Relativitätstheorie ist das sogar unvereinbar.
Einsteins Originalarbeit zu lesen ist der beste Zugang.
das sehe ich komplett anders.
wozu alte texte (mit möglicherweise veralteter notation) lesen, welche sich noch dazu an ein komplett anderes publikum richten, wenn es hunderte besser aufbearbeitete und didaktisch eher geeignete text gibt?
Finde ich nicht. Gerade DIESE Arbeit ist im Original äußerst verständlich und kommt im kinematischen Teil mit einem Mathematikwissen aus, das jenes der 9. Klasse nicht übersteigt. Die Überlegungen sind glasklar formuliert und das ganze fügt sich zu einem Ganzen ohne komplexe Mathematik. Ich liebe diese Arbeit und habe es erstmalig mit 15 gelesen. Ist aber natürlich Geschmackssache...
Ab den Maxwell Glechungen werden diese natürlich vorausgesetzt, aber das kann man ja erst mal weglassen.
Stell Dir vor, Du sitzt in einem Café und schaust 2 mal auf die Uhr, die als Añker für Dein Ruhe-Koordinatensystem Σ dient (die von U angezeigte Zeit gehört dazu!); das erste Mal zeigt sie 17:00, das zweite Mal 17:04.
Beide Ereignisse finden am selben Ort statt, denn Du sitzt ja im Café. Das ist die übliche Sichtweise.
Du weißt aber auch, dass sich die Erde um die eigene Achse dreht und in der Zwischenzeit alles um 1° mitgezogen hat. In unseren Breiten macht das über 80km aus, denn relativ zur 17:00-Uhr-Linie, die ein Anker für ein nicht mitrotierendes Koordinatensystem Σ' ist, bewegst Du Dich mit ca. 1000km/h.
Je nachdem, ob Du „Ort“ auf die Erdoberfläche oder auf die Erdachse beziehst, finden beide Ereignisse also am selben Ort oder über 80 km voneinander entfernt statt (auf weitere Geschwindigkeiten wie die Bewegung um die Sonne will ich hier gar nicht eingehen).
Beide Sichtweisen sind aber grundsätzlich gleichberechtigt (annähernd, weil die Erdrotation keine geradlinig-gleichförmige Bewegung ist), denn die Naturgesetze, die grundlegenden Beziehungen zwischen physikalischen Größen, sind in beiden Interpretationen gleich.