Relativitätstheorie

Kleine Einführung in die Relativitätstheorie

von Dipl.Math. Ulrich Meyer , St.Goar, Feb. 2001

In der Physik vor Einstein, der klassischen Mechanik, wurden Geschwindigkeiten sich bewegender Systeme immer additiv berechnet.
Dazu ein Beispiel :
Bewegt sich eine Person in einem fahrenden Zug , so berechnet sich die Geschwindigkeit der Person in Bezug zu den Schienen des Bahndammes aus der Geschwindigkeit der Person zum Zug plus der Geschwindigkeit des Zuges zum Bahndamm.

Bei der Umkreisung der Sonne wird die Erde auch von Lichtstrahlen gestreift, die zeitweise dieselbe Richtung wie die Erde haben. Die Erde und diese Lichtstrahlen eines Sternes bewegen sich in dieselbe Richtung. Ein halbes Jahr später kommen diese Lichtstrahlen der Erdbewegung dann genau entgegen. Nach dem Prinzip der Addition der Geschwindigkeiten müsste man annehmen, die Geschwindigkeit der Lichtstrahlen wäre im ersten Fall der gleichgerichteten Bewegung kleiner als sechs Monate später, wenn sich Erde und Lichtstrahlen entgegen kommen (Siehe Abbildung). Lichtstrahlen an der Erde Alle Messungen des Lichts zeigten aber immer einen konstanten Wert für die Lichtgeschwindigkeit von rund 300.000 km/sec². Dies schien den Erfahrungen mit Geschwindigkeiten auf der Erde total zu widersprechen. Albert Einstein löste diesen Widerspruch 1905 mit seiner Relativitätstheorie, die u.a. besagt, dass bei sich zueinander bewegten Systemen Zeiten und Längen von jedem System aus unterschiedlich sind. Sie verhalten sich relativ zu jedem System. Diese Relativität von Längen und Zeiten ist mit unseren fünf Sinnen nicht zu Begreifen.
Stellen sie sich vor, sie könnten in einen fahrenden Zug sehen. Ein 1-Meter-Brett im Zug würde von außerhalb weniger als 1 m und im Zug genau 1 m lang sein. Dies hört sich nach Zauberei an. Aber es tritt nur auf, wenn der Zug annähernd mit Lichtgeschwindigkeit fahren würde, d.h. die klassische Mechanik nach Newton wird durch die Relativitätstheorie nicht aufgehoben. Sie gilt weiterhin, wenn man es nur mit relativ kleinen Geschwindigkeiten zu tun hat. Bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit muss man zur physikalischen Betrachtung die spezielle Relativitätstheorie, die sich mit gleichförmigen Bewegungen befasst, heranziehen.

In der allgemeinen Relativitätstheorie macht Einstein Aussagen zu Masse, Gravitation und weiteren Phänomenen des Universums wie z.B. der Krümmung des Raumes. Eine seiner wichtigsten Erkenntnisse ist in der Formel

E = m c²
enthalten. (Energie ist Masse multipliziert mit der quadrierten Lichtgeschwindigkeit). Sie bedeutet die Äquivalenz von Masse und Energie.

Die Aussagen der Relativitätstheorie sind heute unbestritten und durch viele Beispiele in der Wirklichkeit nachgewiesen.

Beispiele :
a) Elementarteilchen, also Masse, wurden aus reiner Energiestrahlung erzeugt.

b) µ-Mesonen entstehen bei der Höhenstrahlung in rund 30 km Höhe. Aus Laborversuchen kennt man ihre Lebensdauer von 2·10 ^-6 sec. Von ihrem Entstehungsort könnten sie sich mit der größtmöglichen Geschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit, nur 600 m weit bewegen um dann zu zerfallen. Sie kommen aber bis zur Erdoberfläche. Da sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, wird ihre Lebensdauer für einen Beobachter auf der Erde verlängert. Daraus kann man folgern, dass ein Raumfahrer, der sich im Weltraum mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt, kaum altert.

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März 2006