Wie kann man sich die Lichtgeschwindigkeit vorstellen?

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Hallo Allzwecktuecher,

also zunächst gönne ich es mir mal, das Thema "Astrologie" zu entfernen. Mit dem Horoskop-Unfug haben ernstgemeinte Fragen zur Astronomie, zur Physik oder zur Relativitätstheorie nichts zu tun. Und es tut jedem Wissenschaftler in der Seele weh, wenn sein Fachgebiet damit verwechselt wird. (Schluchz, schnief,...)

Also gaaaaanz mit Lichtgeschwindigkeit kriegst Du nicht hin. Das verbietet Dir leider Einstein in der Speziellen Relativitätstheorie. (Also Einstein verbietet es nicht, sondern die Natur ... Einstein hat das nur rausgefunden...)

Wir können uns aber ansehen, was passiert, wenn Du immer näher an die Lichtgeschwindigkeit rankommst.

Dann ist ja auf der Erde viel Zeit aber für mich selbst sind nur die paar Jahre vergangen aber woran liegt das

Ja das ist so... und das ist eine Eigenschaft der Natur.

Seeeehr vereinfacht gesagt:

Für massebehaftete Objekte und Informationen, die sich durch den Raum bewegen, gibt es eine odere Grenzgeschwindigkeit. Diese Lichtgeschwindigkeit im Vakuum hat die ganz besondere Eigenschaft, dass sie in allen Bezugssystem gleich ist. Kommt ein Lichtteilchen auf Dich zu, dann passiert das __immer__ mit Lichtgeschwindigkeit (also im Vakuum, in Luft ist es ein bissi langsamer, aber das lassen wir mal weg).

Das ist zunächst total verblüffend, weil wir im Alltag gewohnt sind, dass wir Geschwindigkeiten addieren dürfen: Wenn Du mit dem Zug fährst und dann einen Ball nach vorne wirfst, dann hat der Ball relativ zu einem ruhenden Beobachter eine Geschwindigkeit, die der Summe der Geschwindigkeit des Zuges und des Balles relativ zu Dir ist.

Bei Licht ist das anders: Wenn der Zug vorne das Licht einschaltet und Du misst, wie schnell nun das Licht auf Dich zu kommt, ist das nicht die Summe der beiden Geschwindigkeiten, sondern immer noch die Lichtgeschwindigkeit.

Als nächstes könntest Du fordern, dass man das mit einer möglichst schnellen Lichtquelle testet... und das hat man gemacht: Am Zerfall von Pionen. Die sind selber mit fast Lichtgeschwindigkeit unterwegs und zerfallen dann plötzlich in zwei Lichtteilchen. Man kann im Experiment genau die Photonen messen, die dabei nach vorne, in Flugrichtung abgestrahlt werrden... und ja: Obwohl die Lichtquelle selber fast Lichtgeschwindigkeit hatte, trafen die Lichtteilchen am Detektor wieder mit exakt Lichtgeschwindigkeit ein.

Einsteins "Konstanz der Lichtgeschwindigkeit" ist also experimentell bestens bestätigt. Letztlich hat Einstein das alles übrigens gar nicht für derartige Bewegungen formuliert... sondern für ein elektrodynamisches Problem: für die Induktion. Es geht hier letztlich um die Frage, was die universelle Eichgeschwindigkeit ist, die festlegt, wann eine sich im Magnetfeld bewegende Ladung ein elektrisches Feld induziert... wenn Geschwindigkeiten doch vom Bezugssystem abhängen.

Diese bezugssystemübergreifende Eichgeschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Du kannst es Dir jetzt so vorstellen:

Es gibt eine obere Grenzgeschwindigkeit, mit der Du Dich durch Raum und Zeit, also durch Einsteins "Raumzeit" bewegst. Wenn Du im Raum in Ruhe bist, hast Du eine bestimmte "maximale" Geschwindigkeit, mit der Du durch die Zeit reist. In dem Moment, in dem Du Dich auch noch durch den Raum bewegen willst, musst Du etwas "Reisegeschwindigkeit durch die Zeit" abzwacken, um in der Summe wieder unter dem erlaubten Grenzwert zu bleiben. Je schneller Du Dich im Raum bewegst, desto mehr erkaufst Du das mit einer (von anderen Beobachtern aus betrachteten) langsameren Reise durch die Zeit.

Die Effekte, die Einstein beschreibt, beginnen also eigentlich schon, wenn wir zu Fuß die Straße runter schlendern oder eben im Zug einen Ball nach vorne werfen: Wir müssten eigentlich da schon Einsteins Formeln verwenden... aber bei Geschwindigkeiten, die sehr klein gegen die Lichtgeschwindigkeit sind, können wir das vereinfachen und die Geschwindigkeiten einfach addieren.

Unser gewohnter Alltag ist also eine Näherung eines allgemeinen, von Einstein entdeckten Naturgesetzes. Wir sind die Effekte der Relativitätstheorie deswegen nicht gewohnt und nur deshalb kommen sie uns so merkwürdig vor.

und kann man ausrechnen wie viele Jahre auf der erde vergangen sind

Ja, das wäre der sogenannte Lorentzfaktor:

https://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzfaktor

γ = 1/ Wurzel( 1 - (v/c)²)

v ist die Relativgeschwindigkeit zwischen 2 Beobachtern (einem ruhenden und dem bewegten), c die Lichtgeschwindigkeit.

γ ist 1 für kleine Gerschwindigkeiten und geht für Geschwindigkeiten nahe an c gegen unendlich.

Für die Zeitdilatation gilt

T_bewegt = T_ruhend/γ

Für kleine Relativgeschwindigkeiten sind die beiden gleich. Geht v gegen c, wird γ sehr groß und die im bewegten System vergangene Zeit T_bewegt ist sehr viel kleiner als die im ruhenden System vergangene Zeit T_ruhend.

Genau mit Lichtgeschwindigkeit kannst Du nicht reisen. Du kannst aber den Unterschied berechnen für 90% c oder 99% c .... oder 99,999% c.

Und wenn Du das alles gaaaanz genau nachlesen willst, empfehle ich

http://www.einstein-online.info/einsteiger.html

https://www.leifiphysik.de/relativitaetstheorie/spezielle-relativitaetstheorie/zeitdilatation

Grüße

Eine kleine Verständnishilfe:

Ja, es ist nicht möglich mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen. Aber warum? Nehmen wir mal an, ich möchte zu einem 50 Lichtjahre entfernten Stern reisen. Jetzt denken wir uns einen idealen Antrieb (den es natürlich nicht gibt), der das Raumschiff mit einer konstanten Beschleunigung von 1g beschleunigt. Dies wäre für den Menschen ideal, da er dies von der Erde gewohnt ist. Nicht relativistisch betrachtet hast du nach nicht ganz einem Jahr Lichtgeschwindigkeit erreicht. Gehen wir einen Schritt weiter. Du beschleunigst ein weiteres Jahr, bis du 600.000 km/s erreicht hast, also doppelte Lichtgeschwindigkeit.

Aber warum ist es nicht tatsächlich so? Jetzt auch aus nicht relativistischer Betrachtung. Du wusstest vor Abflug die Entfernung, du kanntest die Dauer der Beschleunigung und deine Endgeschwindigkeit. Somit konntest du genau die Zeit ausrechnen, die du für die 50 Lichtjahre brauchst. Und das erstaunliche: Du hast tatsächlich die Strecke in weniger als 50 Jahren zurückgelegt. Was nun? Überlichtgeschwindigkeit? Nein! Längenkontraktion. Die Strecke ist kürzer geworden! Klingt verrückt, ist aber so! Deine tatsächliche Geschwindigkeit hat sich der Lichtgeschwindigkeit angenähert. Und da passieren verrückte Sachen.

Ein Beobachter auf der Erde würde dich mit einer Geschwindigkeit kleiner der Lichtgeschwindigkeit reisen sehen. Dies ist unter anderem wegen der Zeitdilatation so. Für dich als bewegtes Objekt vergeht die Zeit langsamer.

Jetzt geht man diesen Schritt weiter. Angenommen du beschleunigst immer weiter. Z.b. 100 Jahre mit 1g. Im Vergleich zur Erde näherst du dich immer mehr der Lichtgeschwindigkeit an, für dich vergeht im Vergleich zur Erde die Zeit immer langsamer, und die Entfernungen im Universum werden für dich immer kürzer. Das bedeutet: Du müsstest unendlich lange beschleunigen, würdest dich der Lichtgeschwindigkeit unendlich annähern, Entfernungen würden unendlich kurz werden, aber du würdest die Lichtgeschwindigkeit nie erreichen. Denn das würde für dich bedeuten: Die Zeit würde stillstehen, du wärst an jedem Ort im Universum gleichzeitig und hättest unendlich viel Energie verbraucht um zu beschleunigen. Und deshalb ist es einfach nicht möglich.

Relativ zueinander bewegte Objekte gehen von unterschiedlichen Zeitbegriffen aus, denn: Wird A durch B beobachtet, so wird jeder Tick der Uhr von A dem B erst dann als geschehen erscheinen, wenn jenes Signal der Uhr auch ihn erreicht hat. Signalgeschwindigkeit aber ist endlich (= Lichtgeschwindigkeit).

Eben das versteht man unter der Relativität der Zeit.

Wenn man es genauer nachrechnet, stellt man fest:

Solange A und B sich von einander weg bewegen, wird jeder der beiden glauben, die Zeit beim jeweils anderen verginge langsamer als seine eigene.

Wenn sie sich aufeinander zu bewegen, ist es genau umgekehrt: Da wird jeder den Eindruck haben, die Zeit beim jeweils anderen verginge schneller als seine eigene.

Wie schnell A und B aus eigener Sicht heraus altern, ist von ihrer Geschwindigkeit — die immer nur Relativgeschwindigkeit und kleiner als Lichtgeschwindigkeit sein kann — völlig unabhängig.

Zum sog. Zwillingsparadoxon kommt es erst, wenn Objekte unterschiedlich stark beschleunigt werden bzw. sich in unterschiedlich starken Gravitationsfeldern aufhalten.

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