Was beschränkt die maximale Geschwindigkeit auf knapp 300000 km/s?
Warum ist die größte Geschwindigkeit knapp 300000 km/s bzw. warum kann man nicht schneller sein?
Es muss ja ein physikalischen Grund dafür geben. Wenn ich im Raum konstant beschleunige, werde ich ja auch nicht bei 300000km/s plötzlich stoppen, falls doch muss es ja einen Grund geben.
11 Antworten
Vorab, um Missverständnisse von vornherein auszuschließen: Fett gedruckte Passagen sind nicht als »schreien«, sondern als Hervorhebung zu deuten.
…warum kann man nicht schneller [als c] sein?
Es muss ja ein physikalischen Grund dafür geben.
Den gibt es auch, nämlich Galileis Relativitätsprinzip (RP) und die Tatsache, dass ihm auch die Gesetze der Elektrodynamik und damit die Lichtausbreitung mit c unterliegen müssen.
Geschwindigkeit ist relativ, d.h., um sinnvoll über Geschwindigkeiten zu sprechen, musst Du ein gewisses Koordinatensystem K als Bezugssystem (das dann als ruhend gilt) entweder explizit angeben oder stillschweigend voraussetzen können. Dies kannst Du aber frei wählen, denn in zwei relativ zueinander bewegten Koordinatensystemen K und K' gelten dieselben Naturgesetze.
Eine Umrechnung (Transformation) zwischen K und K' muss c also invariant lassen, was die Lorentz-Transformationen tun, die die Zeit t mittransformieren und sich als Drehung in der Raumzeit deuten lassen.
K und K' werden dann nicht als relativ zueinander bewegte Koordinatensysteme mit den 3 Achsen x, y und z beschrieben, sondern als gegeneinander gleichsam gekippte Koordinatensysteme mit den 4 Achsen c·t, x, y und z. Als Parameter, der einen Weg durch die Raumzeit misst, tritt die Eigenzeit τ (das ist die Zeit, die Deine Uhr anzeigt) auf.
Bezüglich Deiner Eigenzeit kannst Du Dich relativ zu K beliebig schnell (mit Δs/Δτ) durch den Raum bewegen, bewegst Dich aber dadurch zwangsläufig auch so viel schneller durch die Zeit t, dass
v = Δs/Δt = Δs/Δτ· Δτ/ Δt
stets unter c bleibt. Um das zu verstehen, muss man sich die Metrik der Raumzeit anschauen.
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Das Abstandsquadrat zweier Punkte im 3D-Raum ist durch die euklidische Metrik
(1) (Δs)² = (Δx)² + (Δy)² + (Δz)²
gegeben, die Entfernung zweier Punkte der Raumzeit, sog. Ereignisse, durch die Minkowski-Metrik
(2.1) (Δs)² = (Δx)² + (Δy)² + (Δz)² – (cΔt)²
respektive
(2.2) (cΔτ)² = (cΔt)² – (Δx)² – (Δy)² – (Δz)²
(für einen Beobachter, der sich so bewegte, dass beide Ereignisse am selben Ort geschehen), die allerdings keine echte, sondern eine sogenannte uneigentliche Metrik ist, da das Abstandsquadrat nicht positiv definit ist.
Ist Δτ positiv, spricht man von einem zeitartigen, ist Δs positiv, von einem raumartigen Abstand. Als lichtartig wird ein Abstand bezeichnet, bei dem beides 0 ist.
Raumartig getrennte Ereignisse haben keine festgelegte zeitliche Reihenfolge, und es gibt immer ein Koordinatensystem, in dem sie gleichzeitig sind.
Die (mathematische) Drehung eines raumzeitlichen Koordinatensystems K respektive die Umrechnung von K nach K' und umgekehrt heißt Lorentz-Transformation; sie lässt (2.1) bzw. (2.2) ebenso invariant wie eine räumliche Drehung das durch (1) gegebene Abstandsquadrat. Insbesondere bleiben lichtartige Entfernungen lichtartig, d.h. auch c bleibt invariant.
Die von DieMilly angesprochene Geschwindigkeit ist nun die Vierergeschwindigkeit
(3.1) |v» = (cΔt/Δτ; Δx/Δτ; Δy/Δτ; Δz/Δτ),
wobei die räumlichen Komponenten zusammen nicht die übliche räumliche Geschwindigkeit |v›, sondern γ|v› mit
(3.2) γ = 1/√{1 – ‹v|v›/c²} = Δt/Δτ
(‹v|v› ist das Skalarprodukt von |v› mit sich selbst und wird meist v² geschrieben) ist; somit lässt sich die Vierergeschwindigkeit auch
(3.3) γ(c; |v›) = γ(c, Δx/Δt; Δy/Δt; Δz/Δt)
schreiben. Ihr »Betrag«, wenn man so will, ist
(4) √{«v|v»} = γ√{c² – ‹v|v›} = γc√{1 – ‹v|v›/c²} ≡ c.
Das ist das, was auch DieMilly gesagt hat: Alle Geschwindigkeiten in der Raumzeit haben denselben Betrag c. Allerdings hat sie τ und t gegeneinander ausgetauscht, weil das intuitiv verständlicher ist als die Beschreibung oben. Leider lässt sich dieses Konzept nicht konsistent als Raumzeit mit Relativitätsprinzip durchformulieren.
Überlichtgeschwindigkeiten würden nun raumartig getrennte Ereignisse miteinander verbinden und damit solche, deren zeitliche Reihenfolge vom Bezugssystem abhängt; sie würden also auch Reisen in die Vergangenheit und kausale Widersprüche möglich machen. Daher kann nichts, das dem üblichen Kausalitätsprinzip von Ursache vor Wirkung unterliegt, Überlichtgeschwindigkeit haben.
Achtung, gefährlich Halbwissen! ;)
Kinetische Energie: E=0.5*m*v^2
Das bedeutet im Umkehrschluss, die benötigte Energie für die Beschleunigung wird immer grösser. Darüber hinaus geht aus der Relativitätstheorie hervor, dass die Masse auch nicht konstant ist. Je grösser die Geschwindigkeit wird, desto grösser die Masse.
Daraus ergibt sich so viel ich weiss, dass die Lichtgeschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit ist, die von etwas mit einer Masse erreicht werden kann.
Stimmt. Bis 99.999999999999999999% der Lichtgeschwindigkeit. Habe nur gerundet ;)
Die Gleichung E = 0,5 * m * v^2 ist eine Näherungsformel für die kinetische Energie, die nur für kleine Geschwindigkeiten gilt. Korrekt lautet der Term Ekin = E - E0 = E0 / wurzel(1-v^2/c^2) - E0 = E0 * (1/wurzel(1-v^2/c^2) - 1)
Und mit E0 = m0 * c^2 wird mit der Reihenentwicklung von Taylor dann (nach Abbruch nach dem zweiten Glied) der oben bekannte Ausdruck.
Allerdings ist die Näherung nur für hinreichend kleine Geschwindigkeiten brauchbar.
Danke für die Richtigstellung. Wie gewarnt: gefährliches Halbwissen.
Kurz gesagt: Nichts!
Dass die maximal erreichbare Geschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, geht auf die Relativitätstheorie zurück.
Aber wie der Name schon sagt ist das eine Theorie und keineswegs bewiesene Tatsache. In der Physik nimmt man nur an, dass diese Theorie eine Tatsache wäre.
Eine relativ verständliche Erklärung findest Du hier:
http://www.xn--relativittsprinzip-ttb.info/maximale-geschwindigkeit.html
Theorie ist das "höchste was eine Idee in der Wissenschaft werden kann"... nicht verwechseln mit Hypothese. Besser bewiesene Tatsachen als das geht nicht, aber endgültig sicher ist es natürlich nicht.
In der Physik wird die Relativitätstheorie nicht als Tatsache gesehen, sondern immer noch als Theorie.
Sie wird angewendet, da bis jetzt nichts als falsch erkannt werden konnte.
Wenn man es so sieht, dann gibt es *keine* Tatsachen in diesem Universum.
dass diese Theorie eine Tatsache wäre
Falsch. Eine Theorie bestätigt in ihren Annahmen gemessene physikalische Effekte, alles andere sind Hypothesen. Ist eine Hypothese durch ein physikalisches Experiment bestätig worden, so ist es dann eine Theorie. Selbstverständlich beschreibt eine Theorie nie die Wirklichkeit, sie beschreibt aber hinreichend einen registrierten Effekt.
In der Physik wird die Relativitätstheorie nicht als Tatsache gesehen, sondern immer noch als Theorie.
Ich weiß ja nicht was du für Bücher ließt, aber dass was du behauptest ist nicht richtig. Hast du dir schon einmal Gedanken zum GPS gemacht? Denkst du ernsthaft dass es den relativistischen Effekt nicht gibt, also dieser keine Tatsache ist? Was willst du mit solchen Äußerungen erreichen?
Vielleicht verstehe ich es falsch. Aber eine Theorie ist doch etwas, das empirisch verifiziert wurde. Das heisst aber noch nicht, dass es immer stimmen muss, sondern dass es bis jetzt immer zutreffend ist.
Eine Tatsache dagegen ist etwas, dass man beweisen kann.
Außerhalb der Mathematik kannst du nichts beweisen.
Alle Schlussfolgerungen, die Aussagen über die Welt machen müssen auf Beobachtungen aus dieser Welt beruhen. Solange man nicht alle Beobachtungen gemacht hat, die es zu machen gibt, kann man sich nie sicher sein, dass es eine gibt, die nicht mit dem Modell (der Theorie) übereinstimmt.
Die Relativitätstheorie ist genauso eine Theorie wie Evolution oder Gravitation.
Gravitation - oder einfacher ausgedrückt Schwerkraft - lässt sich beweisen und jeder von uns kann Gravitation "erleben" und im Experiment nachweisen.
Die Theorien zur Relativität lassen sich aber nicht beweisen oder im Experiment auch nur ansatzweise nachvollziehen da es schlicht mit heutigen Mitteln unmöglich ist einen Gegenstand derart zu beschleunigen.
Vielleicht stecken wir einfach nur deshalb in der Entwicklung z.B. neuer Antriebe fest weil die "Gelehrten" an eine nie bewiesene Theorie glauben bzw. an dieser festhalten als sei es eine Gesetzmäßigkeit.
Nicht umsonst heißt es: "Wer zur Quelle gelangen will, muss gegen den Strom schwimmen".
Wissenschaft ist aus meiner Sicht wenn man Dinge hinterfragt und beobachtet und nicht wenn man Theorien ungefragt übernimmt.
"Wir irren uns empor", wie Prof. Lesch immer sagt ;) Naturwissenschaften beschreiben das, was durch Beobachtung festgestellt werden kann. Je besser die Instrumente zur Beobachtung werden (Teleskope, Mikroskope), desto vollständigere Aussagen kann man treffen. Die Lücken werden mit Hilfe der Mathematik ausgefüllt - quasi die Sprache der Natur.
Aber die Relativitätstheorie ist jetzt schon seit 100 Jahren das Grundgerüst der modernen Astrophysik. Es gibt seit dem dutzende, weiterführende Forschungsprojekte die darauf basieren und wie ETechnikerfx schon geschrieben hat, die Relativitätstheorie findet bereits lange praktische Anwendung in unserem Alltag und es lässt sich sogar Geld damit verdienen... sie ist also schon mehr als nur rein theoretisch, sondern wird praktisch umgesetzt, z. B. die Zeitdilatation beim GPS-Singal.
Es gib natürlich noch unbekannte Variable, wie die dunkle Energie oder dunkle Materie..., aber die dürften das Standard-Modell, welches erst kürzlich wieder durch das Higgs-Boson oder die vorausgesagten Gravitationswellen bestätigt wurde, nicht weiter affektieren.
Du hast anscheinend den grundlegenden, wissenschaftstheoretischen Unterschied zwischen "Beweisen" und "Belegen" bzw. "Nachweisen" nicht verstanden.
Erklär mir mal bitte, wie du im Alltag fühlst, dass sich die Gravitationskraft antiproportional zum Quadrat des Abstands verhält.
Relativitätstheorie ist nachvollziehbar, sowohl von den dahinter steckenden Formeln, als auch durch tägliche Beobachtung.
Wir können sehr wohl Dinge auf 0.5c oder höher Beschleunigen. Beispielsweise Teilchen im LHC.
Wir können Auswirkungen der ART astronomisch beobachten, wir können, dank Technik und genauer Zeitmessung die SRT schon im Flugzeug nachweisen.
Wir verwenden die Relativitätstheorie fast täglich, wann immer wir unser Handy oder Autonavi per GPS orten lassen.
Solange man eine Theorie zu widerlegen versucht aber durch und durch nur Hinweise findet, dass diese richtig ist, ist es ausgesprochen sinnvoll diese als richtig anzunehmen.
Aber ein Sprichwort wird vermutlich über sämtlichen wissenschaftlichen Prinzipien zum Erkenntnisgewinn stehen.
Auch die Ralativitätstheorie wird nicht ungefragt übernommen.
Wie gesagt, wir können sie beobachten.
Gravitation - Schwerkraft lässt sich auch nicht beweisen, sie ist einfach da. Genau so wie Licht da ist oder Luft. Das sind Phänomene aber weder Theorien, noch Hypothesen, noch Tatsachen. Naturphänomene sind das womit sich die Naturwissenschaften beschäftigen. Es gibt also durchaus eine Theorie der Gravitation.
Womit willst du eine Tatsache beweisen? Mit einer Theorie!?
Da widersprichst du dir selbst, denn die anerkannte Theorie zur Erklärung (oder besser Beschreibung) der Schwerkraft ist die Relativitätstheorie, die Allgemeine genauer.
Du kannst nicht beweisen, dass die Schwerkraft morgen noch existieren wird.
Alles andere ist nur pseudophilosophisches Geschwurbel.
Du kannst nicht gegen den Strom schwimmen, wenn du den Strom nicht kennst und nicht kennen willst.
Du kannst Theorien weder ungefragt übernehmen noch hinterfragen, wenn du sie nicht mal im Ansatz kennst.
Darüber kann auch Eloquenz nicht hinwegtäuschen.
Zum Teil merkwürdige Erklärungen hier.. wie auch immer: Masse, Energie und Geschwindigkeit stehen in Wechselwirkung miteinander. Das ist auch hinreichend bewiesen. Der alte Einstein hatte da schon recht mir seiner Theorie...
Wenn ein Objekt beschleunigt dann erhöht sich auch seine Masse im Vergleich zur Masse die es im Ruhezustand hat. Je näher man der Lichtgeschwindigkeit kommt desto drastischer nimmt die Masse des Objekts zu. Da man zur Beschleunigung aber Energie aufwenden muss braucht man also immer mehr Energie um die immer größer werdende Masse weiter zu beschleunigen.
Bei Erreichen der Lichtgeschwindigkeit kommen wir dann zu Krux der ganzen Sache; die Masse des beschleunigten Objekts wird ab hier unendlich, was zu Folge hat das die zur weiteren Beschleunigung benötigten Energie ebenfalls unendlich wird.... das ist nach den uns bekannten Gesetzen der Natur aber nicht möglich. Also geht man davon aus das kein Teilchen welches nicht Masselos ist sich schneller als 99,9999` % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen lässt.
Es muss ja ein physikalischen Grund dafür geben.
Es handelt sich um ein Naturgesetz. Muß es für ein Naturgesetz einen physikalischen Grund geben, wo doch umgekehrt alle physikalischen Gründe auf Naturgesetzen beruhen?
Was Du zu erfahren hoffst, wäre ein Naturgesetz hinter dem Naturgesetz. Wenn hinter jedem Naturgesetz ein physikalischer Grund und folglich ein weiteres Naturgesetz stehen müßte, dann wäre die sich ergebende Schlußfolgerung eine unendliche Kette von Naturgesetzen. Welche Konsequenzen das wohl für die Zukunft der Naturwissenschaft hätte...?
Phänomene werden aber nicht mit "das ist so" sondern "das ist so weil" beschrieben. Oder liege ich da falsch?
Beschreiben und Erklären sind nicht dasselbe. In der Aussageform "das ist so weil" fehlt doch noch etwas. Vollständig muß sie lauten: "das ist so weil G", wobei G ein hinreichender Grund ist. Kennt man ein G, dann kann man den weil-Satz sagen. Falls nicht, muß man es mit "das ist so" gut sein lassen, auch wenn es schwer fällt.
Versteh' mich bitte richtig: Ich bestreite nicht die Berechtigung Deiner Frage und nicht die des Forschens nach Gründen. Vielleicht findet jemand einen physikalischen Grund hinter den Beobachtungen, die die relativistische Physik beschreibt. Ich bestreite nur, daß es ihn geben "muß", und daß die Denkmethode, die ein grundsätzliches "Müssen" voraussetzt, erfolgreicher ist als die, die den Dingen ihre Freiheit läßt, so zu sein, wie sie sind.
Nicht ganz du oder die zu bewegende Masse kann nur knapp unter die Lichtgeschwindugkeit kommen.