Relativitätstheorie, was ist das genau?
Ich würde gerne wissen was die Relativitätstheorie besagt, was der Sinn dahinter ist und was uns das im allgemeinen Alltag nützt. Ich habe ein Video gesehen in welchem gezeigt wurde das wenn man sich bewegt dinge anders wahrnimmt und die Zeit anders vergeht, ist das richtig? Ich habe jedoch nicht genau verstanden was der Sinn dahinter ist.
Könnte mir jemand möglichst einfach und doch möglichst genau erklären was es mit dieser Relativitätstheorie auf sich hat?
Danke schon mal im Voraus
PS ich bin einer der gerne nachfragt 😂
10 Antworten
Hallo Lukomat99,
zunächst einmal ganz vorneweg:
Bei einer physikalischen Theorie geht es grundsätzlich nicht um "den Sinn dahinter". Eine physikalische Theorie muss Beobachtungen korrekt vorhersagen, also die Natur gut beschreiben. Und genau das tun beide Relativitätstheorien ganz hervorragend.
Ja, es gibt 2 Relativitätstheorien. Die Spezielle Relativitätstheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie.
Die Spezielle Relativitätstheorie beschreibt Beobachtungen in zueinander gleichförmig bewegten Bezugssystemen, wenn sich also 2 Beobachter mit konstanter Geschwindigkeit aneinander vorbei bewegen.
In der Allgemeinen Relativitätstheorie erweitert Einstein die Aussagen auf beschleunigte Bezugssysteme.
Hm. Das klingt so weit ja noch nicht spektakulär.
Fangen wir einmal mit der Speziellen Relativitätstheorie an. Worum geht es überhaupt?
Im 19. Jahrhundert zeichnete sich langsam ab, dass das Licht etwas besonderes ist. Es breitet sich im Vakuum mit einer festen Lichtgeschwindigkeit aus. Diese Lichtgeschwindigkeit wird in den Formeln der Physik mesit "c" abgekürzt. c wie das englische Wort für "constant". Genau so kam es nämlich aus den Gleichungen raus: Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Konstante.
Klingt immer noch nicht spektakulär.
Ist es aber, wenn man wie Einstein diesen Gedanken zu Ende denkt.
Letztendlich kamen Einsteins Überlegungen aus einer Richtung, die wir heute gar nicht mehr so mit der Realtivitätstheorie verknüpfen: Dem Zusammenspiel von elektrischen und magnetischen Feldern.
Wenn sich ein Beobachter in einem geschlossenen Raum befindet - ohne Fenster - dann kann er nicht wissen, ob er in Ruhe ist oder ob er sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Auf ihn wirkt keine der Bewegung geschuldete Kraft, anhand derer er entscheiden könnte, ob sein Kasten, in dem er sitzt ruht oder in Bewegung ist. Der Beobachter im Kasten kann durch keine Messung herausfinden, ob er in Ruhe ist - oder nicht.
Wenn das stimmt und unser Beobachter in seinem Kasten die Lichtgeschwindigkeit misst, dann muss er auch immer denselben Wert für die Lichtgeschwindigkeit finden. Er kann also auch nicht durch Messung der Lichtgeschwindigkeit herausfinden, ob er sich bewegt oder nicht.
So. Und damit hast Du Einsteins fundamentale Erkenntnis in der SRT:
In allen gleichförmig bewegten Bezugssystemen ist die Lichtgeschwindigkeit dieselbe.Auch das klingt zunächst noch nicht so aufregend. Es bedeutet allerdings, dass sich Licht fundamental anders verhält, als wir es im Alltag kennen.
Wenn Du auf einen Freund zugehst und er auf Dich, dann addieren sich Eure beiden Geschwindigkeiten zu Eurer Relativgeschwindigkeit. Kommt ein Lichtstrahl auf Dich zu, so kommt er immer mit c = 300 000 km/s auf Dich zu, egal, ob Du darauf zugehst oder nicht.Diese Erkenntnis widerspricht also zunächst einmal unserer Alltagserfahrung. Sie ist mittlerweile aber hervorragend experimentell nachgewiesen.
Alle anderen bekannten Schlussfolgerungen der SRT ergeben sich aus dieser zentralen Erkenntnis.
Wenn ein Beobachter auf die Uhr eines relativ zu ihm bewegten Beobachters blickt, so wird sein Ablesen der Uhr des bewegten Beobachters dadurch beeinflusst, dass das Licht zwischen ihm und der Uhr auch nur endlich schnell unterwegs ist.
Ein ruhender Beobachter sieht eine bewegte Uhr deshalb langsamer laufen. Auch die Messung von Längen in Bewegungsrichtung verändert sich. Der bewegte Beobachter bemerkt von diesen Effekten zunächst nichts.
Der Witz ist aber: Wenn wir den bewegten Beobachter abbremsen (Wechsel des Bezugssystems(!)) und beide Beobachter dann ihre Uhren vergleichen, dann stellt man fest, dass die bewegte Uhr tatsächlich langsamer gegangen ist. Es ist also nicht nur ein optischer Effekt, den Einstein beschreibt.
Bewegte Uhren gehen langsamer. Bewegte Körper werden schwerer und Längen in Bewegungsrichtung kürzer.
Einstein hat mit der SRT eine ganz wesentliche Eigenschaft der Raumzeit herausgefunden: Wie Raum und Zeit für uns sind, das hängt für uns davon ab, wie wir uns durch die Raumzeit bewegen.
Für einen massebehafteten Körper gibt es eine von der Natur vorgegebene unerreichbare Maximalgeschwindigkeit, mit der wir durch die Raumzeit können. Sind wir im Raum in Ruhe, so können wir mit Maximalgeschwindigkeit durch die Zeit reisen. Beginnen wir uns durch den Raum zu bewegen, so müssen wir etwas von der Reisegeschwindigkeit durch die Zeit abzwacken.
In der ART geht Einstein weiter und erkennt, dass Beschleunigungen und Gravitation ununterscheidbar sind. Er kommt deshalb zu einer neuen Theorie der Gravitation und erkennt, dass auch Uhren in einem Schwerefeld langsamer gehen als in Schwerelosigkeit.
Am besten gehst Du hier einmal die Themen für SRT und ART durch, da sind die Effekte, so verblüffend sie sind, im Detail erklärt:
http://www.einstein-online.info/einsteiger
Grüße
So, Du wolltest aber auch noch wissen, ob es technische Anwendungen der Relativitätstheorie gibt.
Ja.
Erst einmal hilft uns die SRT dabei, verschiedene Naturphänomene besser zu verstehen. Zum Beispiel bestimmte Effekte bei der kosmischen Höhenstrahlung.
Dann steckt die SRT letztlich im Phänomen der elektrischen Induktion. Ein Magnet erzeugt einen Strom, wenn er an einem Leiter vorbeibewegt wird. Ist der Leiter im Magnetfeld in Ruhe, so wird kein Magnetfeld erzeugt.
Hier spielen tatsächlich die Ausbreitungsgeschwindigkeiten elektromagnetischer Felder eine Rolle - die Lichtgeschwindigkeit. Die SRT erklärt uns, warum Induktion funktioniert. Jeder Induktionsherd nutzt also die SRT.
Und natürlich braucht man sie auch am CERN, wo Elementarteilchen mit 99,999999% c aufeinander geschossen werden.
Auch die ART erklärt uns zunächst einmal verschiedene Naturphänomene. Die sogenannte Periheldrehung des Merkurs zum Beispiel. Bestimmte Lichtbeugungseffekte bei Sonnenfinsternissen. Gravitationslinseneffekte. Schwarze Löcher. Gravitative Rotverschiebung.
Und ja, tatsächlich können wir z.B. mit der Gravitationslinsenastronomie diese Effekte auch ausnutzen.
Beide Relativitätstheorien sind wichtig für die Steuerung von Satelliten Ohne Einsteins Theorien gäbe es kein GPS, weil wir die Position der Satelliten nicht wüssten. Und Spin-by-Manöver von Raumsponden wären ebenfalls undenkbar.
Grüße
Im allgemeinen Alltag bringt Dir die nichts.
Es geht um das Verhältnis zwischen Raum und Zeit
Hi Lukomat99,
zunächst einmal ist "die Relativitätstheorie" an sich nur ein Überbegriff, für zwei untergeordnete Teiltheorien in ihr. Einstein entwarf in seinen Überlegungen zunächst nur die spezielle Relativitätstheorie. Erst im Anschluss an die mathematischen Konsequenzen, die sich aus ihr ableiten ließen, fasste er seine Beschreibungen allgemeiner. Es kommt zur Entstehung einer zweiten Relativitätstheorie, der sogenannten allgemeinen Relativitätstheorie. Eine Antwort auf gf.net reicht beim besten Willen nicht aus, um alle gewonnenen Kenntnisse detailgenau zu beschreiben. Oberflächlich müsste man es aber in etwa hin kriegen.
Die spezielle Relativitätstheorie (SRT) ist in sogenannten Intertialsystemen relevant. Ein Inertialsystem zeichnet sich physikalisch dadurch aus, dass es unbeschleunigt ist (a=0) und sich deswegen mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegt. Beispiel: Ein Auto, dass auf der Autobahn konstant mit 120 Km/h fährt.
Die SRT hat nun für eine typische Beschreibungssituation ein Inertialsystem als Ausgang und ein zweites System, dass im Ruhezustand verharrt, wo also die Geschwindigkeit null ist. Mit anderen Worten: Ein unbeschleunigtes Bezugssystem, das immer die gleiche Geschwindigkeit hat bewegt sich relativ zu einem ruhenden. Aus dieser Situation ergeben sich einige höchst interessante relativistische Effekte. Einsteins Grundannahmen für die Formulierung seiner SRT, waren in etwa:
- Alle Inertialsysteme sind im Bezug auf die in ihnen herrschenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten gleichberechtigt.
- Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (c), gilt in jedem Inertialsystem unabhängig vom Zeitpunkt
Aus der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit als konstant angenommen werden muss (das Michelson-Morley-Experiment schlug fehl), ergeben sich als Abstraktion schwer vorstellbar aber mathematisch begründbar relativistische Effekte, wie zb.
- Relativistische Zeitdilatation
Für Objekte die sich bewegen, vergeht die Zeit langsamer als für unbewegte. Beispiel: Ein Raumschiff entfernt sich mit v = 0,99 c von der Erde. Während auf der Erde 100 Jahre vergangen sind, vergehen im Raumschiff für einen hypothetischen reisenden nur 14 Jahre. Startet ein Raumfahrer also in unserem Alter, kommt er als 44-jähriger (Rückflug natürlich mitgerechnet) auf die Erde zurück. Sind unsere Eltern zum Startzeitpunkt 50 Jahre alt, wäre es ein Wunder würden sie mit 150 immer noch leben...
- Relativistische Längenkontraktion
Die Länge sich schnell bewegter Objekte, verkürzt sich in Bewegungsrichtung. Beispiel: Startet unser Raumschiff anfänglich mit 200 Metern Länge, so erscheint es für einen Beobachter bei einer Geschwindigkeit von 99% Lichtgeschwindigkeit nur noch 28 Meter lang.
- Relativistische Massenkontraktion
Die Masse sich bewegter Objekte erhöht sich mit zunehmender Annäherung an c. Wiegen wir auf der Erde 65 Kg, wögen wir in einem Raumschiff mit 99% der Lichtgeschwindigkeit schon ganze 461 Kg -.- Das würde sicherlich ziemlich eklig sein...
Zuletzt folgt aus der SRT auch noch die allseits bekannte Gleichung: E = mc². Energie und Masse sind äquivalent zueinander. Die Lichtgeschwindigkeit c fungiert als Proportionalitätskonstante. Alleine ich, habe schon so verdammt viel Energie nämlich ganze 5,8 * 10^18 Joule! Ich bin auch eine echte Bombe *___*
Spaß beiseite. Die Grundüberlegungen zur SRT sind weitaus komplizierter als hier dargestellt. Hier sind vielmehr die physikalischen Konsequenzen aufgeführt, die durch hohe Geschwindigkeiten bis an die Lichtgeschwindigkeit für Objekte folgen, die sich relativ zu unbewegten bewegen. Immer gilt die Lichtgeschwindigkeit als grundlegender Maßstab. Bei einer Geschwindigkeit von 100 Km/h können wir zb. unmöglich relativistisch rechnen. Hier muss klassisch argumentiert werden. Erst ab einer Geschwindigkeit von etwa 0,3 c, kommen die von Einstein entdeckten relativistischen Effekte zum Tragen.
Noch kurz zur allgemeinen Relativitätstheorie. Hier geht Einstein einen Schritt weiter. Er möchte, die physikalische Erklärung jener Phänomene nicht nur für Inertialsysteme haben, sondern auch für Systeme, die beschleunigen können. Aus einigen Grundüberlegungen wie zb. dem Äquivalenzprinzip, dem Machschen Prinzip etc. kommt er zu der Auffassung, dass es eine 4-dimensionale sogenannte Raumzeit gibt, die man sich wie ein gespanntes Bettlaken vorstellen kann. Legt man nun einen Körper, zb. eine Bowlingkugel hinein, so wird sich das Bettlaken verständlicherweise krümmen.
Einstein behauptet nun, dass jede Masse die Raumzeit krümmt. Die Krümmung dieser Raumzeit ist das, was Newton als das von Massen herrührende Gravitationsfeld ansah. In der Nähe von schweren Objekten wird also die Raumzeit gekrümmt --> Folglich vergeht die Zeit dort auch etwas langsamer. Ein extremes Beispiel für die Raumzeitkrümmung ist das Schwarze Loch, das aus einer Lösung der sogenannten Einsteinschen Feldgleichungen resultiert. Es krümmt die Raumzeit sogar bis ins unendlich hinein, es entsteht eine Singularität.
Lg Nikolai ;)
Es gibt auch andere Lösungen für die Einsteinschen Feldgleichungen, Singularitäten sind nur ein Teil davon.
Genau deswegen schrieb ich beabsichtigt: "ist das Schwarze Loch, das aus einer Lösung der sogenannten Einsteinschen Feldgleichungen resultiert."
Also eigentlich gibt es zwei Relativitätstheorien: die spezielle Relativitätstheorie (SRT) und die allgemeine Relativitätstheorie (ART). Die haben natürlich miteinander zu tun, aber es geht da um verschiedene Sachen.
Die SRT ist eine Weiterentwicklung der klassischen Mechanik. Die grundlegende Idee der SRT ist, dass die Naturgesetze in jedem Inertialsystem (ruhend oder gleichförmig bewegt) gleich sind und außerdem die Lichtgeschwindigkeit immer gleich ist (das nennt man auch Relativitätsprinzip). Dadurch ist klar, dass Geschwindigkeiten sich nicht mehr einfach addieren können. (Wenn das Auto fährt und vorne der Scheinwerfer mit Lichtgeschwindigkeit Licht abstrahlt, hat das Licht von außen auch Lichtgeschwindigkeit und nicht Geschw. des Autos + Lichtgeschwindigkeit.) Mathematisch läuft das dann darauf hinaus, dass Raum und Zeit zusammengefasst werden zur sog. vierdimensionalen Raumzeit. Und dass Abstände in dieser 4-dim. Raumzeit gemessen werden. Daraus folgen dann Effekte wie Zeitdilatation, Längenkontraktion.
Die ART ist eine Theorie der Gravitation. Sie geht von der Überlegung aus, dass träge Masse und schwere Masse gleich sind. (Also die Masse, die der Trägheit entgegenwirkt, und die Masse auf die die Gravitation wirkt - es gibt da einen Unterschied.) Anders ausgedrückt, alles fällt gleich schnell. Das war bekannt, nur nicht warum das so ist. Die ART beschreibt Masse als Krümmung der Raumzeit, was die beiden Konzepte miteinander verbindet. Folgen der ART sind z.B. dass die Zeit nahe einer großen Masse langsamer vergeht und dass auch Licht (masselos) von Gravitation abgelenkt werden kann.
Man kann Effekte beider Relativitätstheorien im Sonnensystem beobachten (z.B. Periheldrehung, GPS-Satelliten funktionieren nur mit relativitischen Korrekturen, etc.)
Hoffe das passt, habe von ART nicht so viel Ahnung...
Egal wie viel Ahnung du hast, das Wesentliche hast du jedenfalls hervorragend erklärt.
Und soweit ich das beurteilen kann, auch richtig, bis auf einen Flüchtigkeitsfehler:
Nicht die Masse, sondern die Gravitation wird als Krümmung der Raumzeit beschrieben. Allerdings natürlich durch Masse bewirkt.
Danke *blush*
Den Fehler hatte ich gerade selbst auch bemerkt - danke fürs Korrigieren!
Lange hat man gedacht, das Licht fliegt durch ein Trägermaterial, das man Äther genannt hat.
Wenn dies so wäre, dann müsste das Licht in eine Richtung eine andere Geschwindigkeit haben als in die Gegenrichtung, weil die Erde durch den Äther fliegt.
Also hat man angefangen, sich zu überlegen unter welchen Bedingungen man in alle Richtungen die gleiche Lichtgeschwindigkeit messen würde. Die spezielle Relativitätstheorie versucht dies zu beschreiben.
Die Längenkürzung und Zeitverlängerung, die die Theorie fordert, ist auch wirklich experimentell nachgewiesen worden. Schau mal nach Lorenztransformation auf Wikipedia.
Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft und ist mathematisch weit komplexer.
Hallo pflanzengott, sehr gute Erklärung der RTs , jedoch muss ich kleine.Ergänzungen vornehmen:
2." Es krümmt die Raumzeit sogar bis ins Unendliche hinein, es entsteht eine Singularität." Der Satz ist ein bisschen unklar formuliert, so wie er da nämlich steht, würde das bedeuten, dass die Singularität durch infinite Raumzeitkrümmung erst entsteht, jedoch wird die Raumzeitkrümmung erst durch diese verursacht, außerdem glaube ich , dass schon vor den RTs klar war, dass gewisse physikalische Gesetze in allen Inertialsystemen gelten.
Wenn ich einen Fehler gemacht haben sollte, möge man mich bitte korrigieren.