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Særlig relativitetsteori

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Grundlæggeren af ​​relativitetsteorien Albert Einstein omkring 1905

Den særlige relativitetsteori ( SRT ) er en fysisk teori om bevægelse af organer og felter i rum og tid . Det udvider det galileiske relativitetsprincip, der oprindeligt blev opdaget i mekanikken , til et særligt relativitetsprincip . Ifølge det særlige relativitetsprincip har ikke kun mekanikkens love, men alle fysiske love den samme form i alle inertialsystemer . Dette gælder blandt andet for elektromagnetismens love, hvorfor lysets hastighed i et vakuum har den samme værdi i hvert inertisystem. Det følger af relativitetsprincippet, at længder og varigheder afhænger af beskuerens bevægelsestilstand, og at der ikke er noget absolut rum og ingen absolut tid. Dette er vist i Lorentz -sammentrækningen og tidsudvidelsen . En anden vigtig konsekvens af SRT er ækvivalensen af ​​masse og energi .

Artiklen om elektrodynamik af bevægelige kroppe [1] , som Albert Einstein udgav i 1905 efter forarbejde af Hendrik Antoon Lorentz og Henri Poincaré , betragtes som fødslen af ​​den særlige relativitetsteori. Da teorien omhandler beskrivelsen af referencerammer, der bevæger sig i forhold til hinanden og om relativitetens varighed og længder, blev den hurtigt kendt som "relativitetsteorien". I 1915 blev det omdøbt til Special Relativeity Theory af Einstein, da han udgav General Theory of Relativity (ART). I modsætning til SRT inkluderer dette også tyngdekraften .

SRT forklarede resultatet af Michelson-Morley-eksperimentet og blev senere bekræftet af Kennedy-Thorndike-eksperimentet og en række andre tests .

introduktion

Lovene i klassisk mekanik har den særlige egenskab at være lige gyldige i ethvert inertisystem ( relativitetsprincip ). Et inertisystem er et referencesystem, hvor hvert kraftfrit legeme bevæger sig i en lige linje ensartet eller forbliver i hviletilstand. Denne kendsgerning gør det muligt, selv i ICE for eksempel ved fuld hastighed. B. at drikke en kaffe, uden at hastigheden på 300 km / t har nogen effekt. De transformationer (konverteringsformler), der bruges til at konvertere fra et inertialsystem til et andet i klassisk mekanik, kaldes galileiske transformationer , og den egenskab, at lovene ikke afhænger af inertialsystemet (dvs. ikke ændres i en galileisk transformation) kaldes galileisk invariance . Formlerne for en galileisk transformation følger direkte fra den klassiske idé om et tredimensionelt euklidisk rum, som alle begivenheder er baseret på og en uafhængig (endimensionel) tid.

I slutningen af ​​1800-tallet blev det imidlertid erkendt, at Maxwell-ligningerne , der med stor succes beskriver de elektriske, magnetiske og optiske fænomener, ikke er Galileo-invariant. Det betyder, at ligningerne ændres i deres form, hvis en Galilei -transformation udføres i et system, der bevæger sig i forhold til det originale system. Især ville lysets hastighed afhænge af referencerammen, hvis Galileo -invariansen blev anset for at være grundlæggende. Maxwell -ligningerne ville derfor kun være gyldige i et enkelt referencesystem, og ved at måle lysets hastighed burde det være muligt at bestemme sin egen hastighed i forhold til dette system. Det mest berømte forsøg, der forsøgte at måle jordens hastighed mod dette fremragende system, er Michelson-Morley-eksperimentet . Intet eksperiment kunne imidlertid bevise relativ bevægelse.

Den anden løsning på problemet er postulatet om, at Maxwell -ligningerne holder uændret i alle referencerammer, og i stedet er Galileo -invariansen ikke universelt gyldig. Lorentz -invariansen indtager derefter stedet for Galileo -invariansen . Dette postulat har vidtrækkende virkninger på forståelsen af ​​rum og tid, fordi Lorentz-transformationerne , der efterlader Maxwell-ligningerne uændrede, ikke er rene transformationer af rummet (som Galileo-transformationerne), men ændrer rum og tid sammen. Samtidig skal de klassiske mekanikkers grundligninger også omformuleres, fordi de ikke er Lorentz-invariant. For lave hastigheder er de galileiske transformationer og Lorentz -transformationer imidlertid så ens, at forskellene ikke kan måles. Gyldigheden af ​​klassisk mekanik modsiger derfor ikke den nye teori ved lave hastigheder.

Den særlige relativitetsteori giver således en udvidet forståelse af rum og tid, hvilket resulterer i, at elektrodynamik ikke længere afhænger af referencesystemet. Deres forudsigelser er blevet testet med succes mange gange og bekræftet med en høj grad af nøjagtighed. [2]

Lorentz transformationer

Uforanderligheden af ​​de fysiske love under Lorentz -transformationer er den centrale påstand om den særlige relativitetsteori. Derfor forklares de fysiske virkninger af Lorentz -transformationerne klart i dette afsnit.

Da elektrodynamikkens love gælder lige meget i alle referencerammer, gælder deres forudsigelse af en konstant vakuumhastighed af lys også især. Lyset er derfor lige hurtigt i alle referencerammer. Dette følger direkte af Lorentz invariance, og det anses ofte for at være den vigtigste egenskab ved Lorentz -transformerne, at de efterlader lysets hastighed uændret.

Einsteins tankeeksperiment

Grafisk illustration af tankeeksperimentet

For at illustrere de forskellige aspekter af Lorentz -transformationerne bruges et tankeeksperiment, der går tilbage til Albert Einstein: Et tog kører gennem en togstation med hastigheden . Der er forskellige observatører på perronen og i toget, hvis observationer og målinger skal sammenlignes. De har ure og regler samt blinkende lys, hvormed der kan udveksles lyssignaler. Vi kalder forenden af ​​toget i kørselsretningen "start af tog", den anden kalder vi "togets ende". Togets begyndelse når først enden af ​​perronen, som vi omtaler som "bagsiden". Senere ankommer den til den "forreste" ende.

For togpassageren ser det ud til, at han hviler, og perronen bevæger sig med hastighed bevæge sig mod togets kørselsretning. Ifølge relativitetsprincippet er hans synspunkt lige så korrekt som observatørens stående på togstationen. Begge referencesystemer er inertielle systemer og er derfor fysisk ækvivalente.

Det er meget vigtigt at bemærke, at enhver observatør kun kan fremsætte direkte udsagn om begivenheder, der finder sted direkte hos ham. Men hvis han vil vide, hvornår en begivenhed fandt sted et andet sted, kan han kun stole på lyssignaler, der blev sendt ud fra dette sted. Fra afstanden og flyvetidspunktet kan han derefter udlede begivenhedens tid, fordi lysets hastighed er den samme i alle inertialsystemer.

samtidighed

En af de største vanskeligheder med at forstå virkningerne af Lorentz -transformationerne er forestillingen om samtidighed. For at forstå det er det derfor vigtigt at indse, at begivenhedernes samtidighed forskellige steder ikke er defineret på forhånd. Lysets hastighed bruges til at definere samtidighed, da denne er den samme i alle referencerammer. Lyssignalerne fra to samtidige begivenheder når en observatør på forskellige tidspunkter, hvis hændelserne sker på forskellig afstand fra observatøren. Men hvis en iagttager er lige langt fra to begivenheder, og lyssignaler fra dem når ham på samme tid, så kaldes de to begivenheder selv samtidig .

Denne definition af samtidighed fremstår klart forståelig, men sammen med Lorentz -invariansen fører det til en paradoksal effekt: samtidigheden af ​​to begivenheder forskellige steder afhænger af observatørens bevægelsestilstand.

Denne kendsgerning kan forstås direkte med tankeeksperimentet beskrevet i begyndelsen:

Der er en lampe i midten af ​​platformen. For en observatør, der står på platformen, er det umiddelbart klart: Når lampen er tændt, når lyset begge ender af platformen på samme tid: den skal dække den samme sti i begge retninger. Lad os nu betragte situationen fra en passagers perspektiv på toget: Perronen bevæger sig nu baglæns med en konstant hastighed v. Lyset har dog også hastigheden c i begge retninger i forhold til toget. På transmissionstidspunktet er begge ender af platformen lige langt fra lampen. Således kommer platformens forende mod lysstrålen, så lyset, der bevæger sig fremad, bevæger sig en kortere afstand, indtil det når denne ende af platformen. Omvendt bevæger bagenden af ​​platformen sig i retning af lyset, der følger den, så lyset her skal tilbagelægge en noget længere afstand, før det har nået denne ende. Derfor vil lyset nå forenden af ​​platformen tidligere end bagenden, og dermed vil de to ender af platformen ikke nås på samme tid.

Observatøren på perronen og observatøren i toget er derfor uenige i spørgsmålet om, hvorvidt de to begivenheder "lyset når perronens forende" og "lyset når perronens bagende" er samtidige. Da begge observatører bevæger sig i samme retning, er ingen af ​​de to systemer imidlertid fremragende: De to observatørers synspunkter er derfor ækvivalente. Samtidigheden er faktisk forskellig for begge observatører.

Begivenhedernes samtidighed, hvis placering kun ændres vinkelret på bevægelsesretningen, er den samme i begge referencesystemer: Hvis lampen hænger halvvejs op i toget, bliver lyset lavere for både observatøren på perronen og for observatør i toget - og nå toppen af ​​toget.

Lorentz sammentrækning

Tankeeksperiment om Lorentz sammentrækning

Relativitetens samtidighed resulterer i en anden, lige så paradoksal effekt:

Antag, at begyndelsen på toget (se Einsteins tankeeksperiment ) udløser et lysglimt, når man passerer perronens forende, og enden af ​​toget udløser et lignende lysglimt, når man passerer perronens bagende.

Observatøren midt på perronen ser begge lysglimt på samme tid som toget passerer igennem. Heraf konkluderer observatøren, hvis han ved, at han er midt på perronen, og hvad der udløste de to lysglimt, at toget og perronen har samme længde.

For observatøren i midten af ​​toget er situationen imidlertid meget anderledes: lysglimt fra togets begyndelse når ham tidligere end lysglimt fra togets bageste ende, fordi det kører mod fronten lys blinker og bevæger sig samtidig væk fra baglygten. Da "bageste" hændelse (enden af ​​toget passerer bagenden af ​​perronen) forekommer senere for ham end "fronten" (starten af ​​toget passerer platformens forende), konkluderer han, at toget er længere end perronen, fordi trods alt enden af ​​toget stadig var der aldrig nået til perronen, når begyndelsen af ​​toget allerede har forladt det.

Således er platformen kortere for observatøren i toget, og toget er længere end for observatøren på perronen.

Relativitetsprincippet siger, at begge har ret: Hvis (bevægelige) perronen er forkortet fra togførerens synspunkt, så skal (bevægende) toget også forkortes fra platformobservatørens synspunkt. Lorentz -sammentrækningen er kun gyldig i bevægelsesretningen, da begivenhedernes samtidighed i begge referencesystemer falder vinkelret på bevægelsesretningen. Begge observatører er så z. B. enige om kontaktledningens højde.

Et indirekte bevis på længdekontraktionen skyldes også problemet med det elektromagnetiske felt af en elektrisk punktladning, der bevæger sig ved høj hastighed. Det elektriske felt for dette objekt er ganske enkelt ladningens Coulomb -felt, det vil sige med en ensartet radial retningsfordeling, når hastigheden forsvinder eller langsom i forhold til lysets hastighed. Med stigende tilgang til lysets hastighed på den anden side - på grund af sammentrækning af afstanden i bevægelsesretningen - koncentreres de elektriske felter i stigende grad i de tværgående bevægelsesretninger. Derudover er der udover de elektriske felter også (asymptotisk lige så stærke) magnetfelter, der cirkler bevægelsesaksen.

Tidsudvidelse

Tankeeksperiment om tidsudvidelse. a) starture b) stopure

Ligesom afstanden mellem observatører i forskellige inertialsystemer bestemmes forskelligt, skal inertialsystemernes relative hastighed også tages i betragtning ved sammenligning af tidsintervaller: Observatøren i toget (se Einsteins tankeeksperiment ) er bag på toget og der er et ur i hver ende af platformen. Uret foran på perronen startes, når hovedet på toget passerer det og uret bag på perronen, når enden af ​​toget passerer det. Da toget er lige så langt for observatøren på perronen som perronen, startes urene på samme tid i henhold til hans samtidighedskoncept. Uret i forenden af ​​perronen stopper, når bagenden af ​​toget passerer det.

Observatøren på toget starter sit ur, når han passerer perronens bagende, det vil sige samtidig med starten af ​​det lokale perronur, og stopper det, når han passerer perronens forende, samtidig med stop af den lokale platform ur. Ifølge hans samtidighedskoncept bevæger uret sig i forenden af ​​perronen foran uret i bagenden af ​​perronen og bevæger sig dermed også foran sit ur, da toget ifølge sit længdebegreb er længere end platform. Den tid, han måler for sin rejse fra bagsiden til forenden af ​​platformen, er derfor kortere end den tid, som uret viser ved platformens forende, når han passerer den.

Observatøren på perronen kan se på displayene på urene, at observatøren på toget måler en kortere periode end han er i henhold til sit begreb om samtidighed, tidsperioderne er også af samme længde. Så han kommer til den konklusion, at uret til observatøren på toget kører for langsomt. I henhold til observatørens samtidighedskoncept i toget falder imidlertid ureens starttider ikke sammen, så han ikke foretager denne observation.

Denne opfattelse kan også vendes ved at fastgøre et ur i begyndelsen og i slutningen af ​​toget og, i henhold til observatørens samtidighedskoncept, starte toget på samme tid, når begyndelsen af ​​toget passerer forenden af ​​perronen . Fra observatørens synspunkt på toget kommer det så frem, at tiden på perronen går langsommere end på toget.

Igen kan det ikke afgøres, hvilken af ​​de to observatører der har ret. Begge observatører bevæger sig uskadet i forhold til hinanden og er derfor ens. Tidsintervaller er forskellige for begge observatører, og for begge observatører går tiden hurtigst i deres respektive hvilesystem , mens den passerer langsommere i alle relativt bevægelige systemer. Denne effekt kaldes tidsudvidelse . Den tid, hver observatør læser på sit eget ur, kaldes den rette tid . Denne tid, målt med et "båret ur", resulterer altid i den kortest mulige, uforanderlige værdi blandt alle tidsintervaller, der måles for to årsagssammenhængende hændelser i inertialsystemer, der bevæger sig i forhold til hinanden. I modsætning hertil er alle andre værdier "udvidet over tid".

Helt konkret: De armbåndsure, der transporteres, "tikker" hurtigere for togpassagererne (dvs. de viser længere tid) end lignende stationsure, som toget skynder forbi med hastighed v. Hvis hastigheden stiger, stiger den (normalt meget lille) udvidelse af tiden, der vises af stationsklokken, mens den tid, der måles fra toget (den korrekte tid) altid er den samme. I modsætning til denne tidsudvidelse synes en skala, der bevæger sig med toget, og hvis længde har værdien L fra togpassagerernes perspektiv, forkortet, når den ses fra stationens ur ( længdekontraktion , se ovenfor). Virkningerne er imidlertid ekstremt små: et interval Δτ for den korrekte tid er kun lidt mindre i forhold til det tidsrum Δt, der vises på stationens ur (mere præcist gælder følgende ved konstant relativ hastighed: hvori toghastigheden er (for eksempel 80 km / t), c på den anden side den ekstremt meget højere lyshastighed (~ 1 milliard km / t).

I øvrigt er den korrekte tid invarianten, der bestemmer koordinatændringen givet ovenfor ( Lorentz transformationLorentz invariant).

En direkte konsekvens af tidsudvidelse er, at den forløbne tid afhænger af den valgte vej. Antag, at nogen stiger på toget og kører til den næste station. Der skifter han til et tog, der går tilbage til udgangspunktet. En anden observatør har ventet der på platformen i mellemtiden. Når de vender tilbage, sammenligner de deres ure. Set fra observatørens synspunkt, der blev på stationen, har den rejsende nu oplevet en tidsudvidelse både på den udadgående rejse og på hjemrejsen. Så rejsendes ur bremser nu ud fra den ventende persons perspektiv. Fra den rejsendes perspektiv oplever den ventende person imidlertid en tidsudvidelse både på vejen dertil og på vejen tilbage, så uret på den ventende person ved første øjekast skal følge op fra den rejsendes perspektiv. Dette paradoks kaldes tvillingeparadokset . Faktisk er situationen ikke symmetrisk i dette tilfælde, da den rejsende har skiftet, dvs. har ændret det referencesystem, der blev flyttet sammen med det. I modsætning til observatøren på platformen forbliver den rejsende ikke i et enkelt inertialsystem under hele rejsen, så den rejsendes ur rent faktisk sænkes.

Dette paradoks er faktisk blevet demonstreret i eksperimenter for at teste den særlige relativitetsteori. I Hafele-Keating-eksperimentet blev for eksempel de målte tidsrum for to atomure sammenlignet, hvoraf det ene cirkulerede rundt om jorden i et fly, mens det andet blev ved afgangs- og destinationslufthavne. Det "halende" ur viste en let, men præcist målbar hastighedsstigning.

Relativistisk tilføjelse af hastighed

Hvis konduktøren går frem på toget med en konstant hastighed (se Einsteins tankeeksperiment ), er hans hastighed for en observatør på perronen ganske enkelt angivet som summen af ​​kørehastigheden og hastigheden på toget ifølge klassisk mekanik. I relativitetsteorien giver sådan en simpel tilføjelse ikke det korrekte resultat. Set fra platformen, den tid konduktøren z. B. fra den ene bil til den næste tager længere tid end for togrejsende på grund af tidsudvidelsen. Derudover er selve bilen Lorentz-forkortet set fra perronen. Derudover løber konduktøren fremad, så begivenheden "at nå den næste bil" finder sted længere fremme i toget: På grund af relativitetens relativitet betyder det, at begivenheden finder sted senere for observatøren på perronen end for togpassager. Samlet set resulterer alle disse effekter i, at hastighedsforskellen mellem konduktøren og toget er lavere for observatøren på perronen end for observatøren på toget. Med andre ord: konduktøren kører langsommere set fra perronen end tilføjelse af togets hastighed og konduktørens hastighed, når den ses fra toget, ville resultere. Formlen, der bruges til at beregne denne hastighed, kaldes den relativistiske tilføjelsessætning for hastigheder .

Det ekstreme tilfælde opstår, når man ser på en lysstråle, der løber fremad. I dette tilfælde er den langsommere effekt så stærk, at lysstrålen igen har lysets hastighed fra platformen. Lysets hastighed er grundlaget for relativitetsteorien. Dette sikrer også, at fra observatørens synspunkt på perronen bevæger konduktøren sig altid langsommere end lysets hastighed, forudsat at hans hastighed i togets hvilesystem er mindre end lysets hastighed: Antag, at konduktøren holder en lommelygte på et spejl for enden af ​​bilen og går langsommere end lyset. Så set fra toget reflekteres lysstrålen og rammer konduktøren, før den når enden af ​​bilen. Hvis hans hastighed fra platformen blev opfattet som hurtigere end lys, ville konduktøren nå enden af ​​bilen foran lysstrålen, og dermed ville mødet med lysstrålen ikke finde sted. Det faktum, at et sådant møde finder sted, er imidlertid uafhængigt af observatøren, og der opstår derfor en modsætning. Så den relativistiske tilføjelse af to hastigheder under lysets hastighed giver altid et resultat under lysets hastighed.

Nu kan konduktøren ikke kun køre fremad på toget, men også baglæns. I dette tilfælde finder begivenheden "at nå den næste bil" sted længere tilbage i toget og dermed "for tidligt" for perronobservatøren i forhold til togpassageren, mens de andre effekter stadig har en "bremsende effekt". Virkningerne annullerer hinanden, når konduktøren kører baglæns i toget med samme hastighed som toget kører: I dette tilfælde kommer relativitetsteorien også til den konklusion, at konduktøren er i ro i forhold til perronen. For højere hastigheder bagud ser observatøren på platformen nu en højere hastighed, end han ville forvente ifølge klassisk mekanik. Dette går op til det ekstreme tilfælde af lysstrålen rettet bagud, som igen bevæger sig nøjagtigt med lysets hastighed, set fra platformen.

Momentum, masse og energi

Kollision af to bolde med ændring af bevægelsesretning med 90 °

I togstationen (se Einsteins tankeeksperiment ) er der også et spillerum med poolborde. På en af ​​dem, mens toget passerer, sker følgende, beskrevet fra observatørens synspunkt på perronen: To billardkugler, hver med samme absolutte hastighed som toget, men bevæger sig mod hinanden vinkelret på spor, kolliderer med hinanden på en helt elastisk måde forskudt, så de bevæger sig parallelt med sporet efter stødet, den røde i togets retning (og hviler i dens referencesystem) den blå i den modsatte retning.

I klassisk mekanik er et objekts momentum defineret som produktet af objektets masse og hastighed. Den samlede impuls, der skyldes simpelthen at tilføje de enkelte impulser, er en bevaret mængde . Faktisk bevares impulsen, der er defineret på denne måde fra platformens synspunkt, i ovenstående slag: Da boldene bevæger sig med modsatte hastigheder både før og efter stødet, er impulsen, der er defineret på denne måde, nul før og efter stødet.

Set fra toget ruller kuglerne diagonalt mod hinanden før stødet: parallelt med banen har begge platformens hastighed (da de bevæger sig med perronen) og vinkelret på sporet har de modsatte hastigheder (denne komponent er baseret på kuglernes bevægelse i forhold til perronen vinkelret på toget). Det samlede momentum for de to kugler vinkelret på banen er derfor nul, parallelt med banen er det samlede momentum dobbelt så kuglemassen gange platformens hastighed.

Efter stødet har den røde bold nu hastigheden - og dermed momentum - nul (fra perronens synspunkt kørte den med toghastigheden i togets retning), så den blå bold skal nu bære hele momentum. For at bestemme den blå bolds hastighed skal den relativistiske hastighedsaddition, der er overvejet i det foregående afsnit, nu bruges, og - som forklaret ovenfor - har denne bold nu en hastighed, der er lavere end to gange platformens hastighed (= toghastighed) . Dette gør det klart, at den klassiske bevarelse af momentum ikke længere er gyldig. For at genoprette bevaringsloven bruges det relativistiske momentum , som stiger mere end lineært med hastighed. Af samme grund skal kinetisk energi også stige hurtigere ved høje hastigheder, end den gør ifølge klassisk mekanik.

Ækvivalensen mellem masse og energi siger, at resten energi af hver partikel, krop eller fysisk system, der er proportional med dens masse er. Faktoren, der forbinder disse to størrelser, er kvadratet af lysets hastighed:

Fordi restenergien kan aflæses fra massen, forstår man, hvorfor datterpartiklerne i forbindelse med radioaktivt henfald eller nuklear fission sammen har mindre masse end startkernen: En del af den oprindelige hvileenergi er blevet omdannet til kinetisk energi af datterpartiklerne og muligvis til anden stråling.

Ækvivalensen mellem masse og energi er blevet bekræftet eksperimentelt med høj nøjagtighed: [3]

Relativistisk masse og hvilemasse

Du sorterer igennem

den hastighedsafhængige energi af en partikel eller et legeme i bevægelse er også en matematisk hastighedsafhængig masse til, det kaldes relativistisk masse . Det er ikke en fast ejendom for partiklen, der er uafhængig af referencesystemet, men afhænger af dens hastighed (eller observatørens). Sandt i resten system med mængden falde sammen, som derfor undertiden omtales som hvilemasse eller invariant masse. Med en tilstrækkelig tæt tilgang til lysets hastighed, enhver størrelse. Med den relativistiske masse skrives den relativistiske impuls som “masse gange hastighed” som i Newtons mekanik. Det faktum, at momentum af en partikel kan stige på ubestemt tid, mens dens hastighed er begrænset af lysets hastighed, skyldes i dette billede den tilsvarende stigende relativistiske masse. Im Bereich relativistischer Geschwindigkeiten reagiert ein Teilchen auf eine Kraft senkrecht zu seiner Flugrichtung so, dass man ihm nach der Newtonschen Mechanik gerade die relativistische Masse zuschreiben müsste. Für eine Kraft in Richtung der Geschwindigkeit müsste man allerdings wieder eine andere Masse nehmen, und für andere Richtungen ist die Beschleunigung noch nicht einmal parallel zur Kraft.

Der Begriff der relativistischen Masse wird daher in der heutigen (2017) Physik aus diesen und anderen Gründen gemieden. Die Masse ist vielmehr wie in Newtons Physik eine Eigenschaft des Teilchens, Körpers oder physikalischen Systems, die unabhängig vom Bezugssystem ist. Damit entfällt auch eine Unterscheidung zwischen „Masse“ und „Ruhemasse“. Beides sind Bezeichnungen für denselben Begriff.

Von Raum und Zeit zur Raumzeit

Angesichts der oben erläuterten relativistischen Effekte stellt sich die Frage, wie diese Effekte zu interpretieren sind. Sieht man die Zeit als vierte Dimension an, kann man zusammen mit den drei Dimensionen des Raumes die vierdimensionale Raumzeit betrachten, die aber nicht den vierdimensionalen Euklidischen Raum ergibt, sondern den sog. Minkowski-Raum Der Unterschied ergibt sich aus einer mathematischen Besonderheit der Metrik (besser: Pseudo-Metrik) des Minkowski-Raumes – sie kann beide Vorzeichen besitzen. Dies ergibt den Unterschied von Drehungen im vierdimensionalen euklidischen Raum und den unten angegebenen „rhomboedrischen“ Koordinaten-Transformationen der vierdimensionalen Raumzeit. Zugleich ergibt sich so, dass auch in der Relativitätstheorie noch ein Unterschied zwischen raumartig und zeitartig bzw. – bei Zeitartigkeit – zwischen „Vergangenheit“ und „Zukunft“ verbleiben kann, je nach dem Vorzeichen der Metrik des betrachteten Punktes im Minkowski-Raum bzw. nach dem Vorzeichen seiner Zeitkoordinate (siehe auch: Lichtkegel ).

Die Bewegung eines Beobachters wird in dieser vierdimensionalen Raumzeit zu einer Kurve (der sog. Weltlinie des Beobachters) und lässt sich in Minkowski-Diagrammen darstellen. Dabei erkennt man, dass der vorliegende Wechsel des Bezugssystems auf jeden Fall (sowohl klassisch-mechanisch als auch relativistisch) mit einem „Kippen“ der Zeitachse einhergeht. Dieses beschreibt die „Relativität der GleichORTigkeit“: Während der Beobachter im Zug feststellt, dass z. B. sein Koffer über ihm im Gepäcknetz die ganze Zeit am selben Ort bleibt, ist für den Beobachter am Bahnsteig klar, dass sich derselbe Koffer mit dem Zug mitbewegt, also gerade nicht am selben Ort bleibt. Was den Minkowski-Raum der Relativitätstheorie von Newtons Raum und Zeit unterscheidet, ist die Tatsache, dass für zueinander bewegte Bezugssysteme auch die GleichZEITigkeit relativ ist, wie oben beschrieben. Dies führt dazu, dass nach der Relativitätstheorie (im Gegensatz zur klassischen Mechanik) zusammen mit der Zeitachse auch die Ortsachse gekippt wird.

Gegenüberstellung von Drehung (links) und dem im Text beschriebenen „rhomboedrischen“ Bezugssystemwechsel (rechts)

Eine wohlbekannte Bewegung, bei der zwei Koordinatenachsen geändert werden, ist die Drehung im Raum. Das nebenstehende Bild illustriert den Unterschied zwischen der bekannten Drehung und dem angegebenen Bezugssystemwechsel : Während bei Drehungen im Raum beide Achsen in dieselbe Richtung gedreht werden, werden bei einem Bezugssystemwechsel Ortsachse und Zeitachse in entgegengesetzte Richtungen gedreht: Aus dem ursprünglichen Quadrat entsteht ein flächengleicher Rhombus , wobei die Bedingung der Flächengleichheit der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die lange Diagonale (eine Winkelsymmetrale der Achsen, die sog. 1. Mediane) bleibt unverändert. Sie beschreibt aber gerade den Weg des Lichtes, ihr Anstieg ist die Lichtgeschwindigkeit. Die Unveränderlichkeit dieser Diagonalen bei Bezugssystemwechsel bedeutet also gerade, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist.

Aus diesen Betrachtungen folgt, dass es sinnvoll ist, Raum und Zeit als eine Einheit anzusehen, so wie Länge, Breite und Höhe eine Einheit bilden, nämlich den dreidimensionalen Raum. Die vierdimensionale Einheit aus Raum und Zeit nennt man Raumzeit . Es ist damit nicht mehr möglich, eine ganz bestimmte Richtung unabhängig vom Beobachter als die Zeitrichtung anzugeben, genauso wie es im Raum kein eindeutiges (beobachterunabhängiges) „Vorne“ gibt. So laufen z. B. sowohl die schwarze Zeitachse als auch die gelbe „gedrehte“ Zeitachse in Zeitrichtung. Allerdings ist es – im Unterschied zum normalen Raum – in der Raumzeit nicht möglich, die Zeitrichtung bis zur Raumrichtung zu drehen oder gar die Zeit „umzudrehen“, also Vergangenheit und Zukunft zu vertauschen. Durch die Konstanz der Diagonalen werden die von Diagonalen begrenzten Gebiete stets in sich selbst überführt. Dies entspricht der Flächengleichheit der eingezeichneten Netzwerk-Segmente.

Bei genauerer Betrachtung der Drehung (linkes Bild) sieht man, dass jedes Koordinatenquadrat wieder in ein gleich großes Quadrat überführt wird (das gedrehte Quadrat oben rechts vom Ursprung ist im Bild schraffiert). Zudem ist der Schnittpunkt der gedrehten y-Achse (gelbe Linie) mit dem Schnittpunkt der gedrehten ersten Parallelen der x-Achse (hellbraune Linie) gleich weit entfernt vom Ursprung wie der ungedrehte Schnittpunkt. Der y-Wert dieses Schnittpunktes ist hingegen kleiner als für den ungedrehten Schnittpunkt. Dies führt zum Phänomen der perspektivischen Verkürzung , wenn die Linie aus x-Richtung angeschaut wird.

Betrachtet man nun analog das rechte Bild, so sieht man, dass auch hier das Koordinatenquadrat in eine gleich große Fläche überführt wird, aber die neue Fläche ist kein Quadrat mehr, sondern rhomboedrisch . Das hat die Auswirkung, dass der Schnittpunkt der „gedrehten“ Zeitachse (gelb) mit der nächsten Parallelen der gedrehten Raumachse (hellbraun) höher , also später liegt als im ungedrehten Fall. Nehmen wir nun an, die Raumachsen werden bei jedem Tick einer Uhr „gesetzt“, so sieht man, dass die Uhr im „gedrehten“ Koordinatensystem, also die relativ zum Beobachter bewegte Uhr, anscheinend langsamer geht (zwischen zwei Ticks vergeht mehr Zeit des Beobachters). Aus der Analogie zur Drehung wird ebenfalls klar, dass es sich auch hierbei nur um einen „perspektivischen“ Effekt handelt. Damit erklärt sich ganz zwanglos der scheinbare Widerspruch, dass beide Beobachter die Uhr des jeweils anderen langsamer laufen sehen. Auch die perspektivische Verkürzung wird wechselseitig wahrgenommen, ohne dass das zu Widersprüchen führen würde.

Ein wesentlicher Unterschied des Bezugssystemwechsels zur Drehung ist jedoch, dass für die Variable „Zeit“ statt einer Verkürzung eine Verlängerung (Dehnung: Zeit dilatation ) wahrgenommen wird. Dies kann man an obiger Gegenüberstellung gut erkennen: Bei der Drehung im Raum wandert der Schnittpunkt der gelben und der hellbraunen Linie nach unten (perspektivische Verkürzung ), beim Bezugssystemwechsel hingegen nach oben .

Effekte

Die genannten Effekte, die nur mit der Lorentztransformation verständlich sind, lassen sich teilweise direkt beobachten. Insbesondere die Zeitdilatation wurde durch viele Experimente bestätigt (siehe z. B. Zeitdilatation bewegter Teilchen ). Im Folgenden werden einige Effekte dargestellt, bei denen der Zusammenhang mit Lorentztransformationen nicht so offensichtlich ist.

Aberration

Wenn sich ein Beobachter schneller und schneller bewegt, kommen ihm die seitlichen Lichtstrahlen ähnlich wie Regentropfen mehr und mehr von vorne entgegen. Es ändert sich der Winkel, unter dem ein Lichtstrahl für einen bewegten Beobachter einfällt. Ursprünglich erklärte man dieses Phänomen, die Aberration des Lichts, mit Newtons Korpuskeltheorie des Lichtes genauso wie bei Regentropfen. In der speziellen Relativitätstheorie wird nun die klassische durch die relativistische Geschwindigkeitsaddition ersetzt. Daraus folgt, dass ein bewegter Beobachter nach der Korpuskeltheorie einen anderen Aberrationswinkel als nach der speziellen Relativitätstheorie beobachten und je nach Bewegungsgeschwindigkeit verschiedene Lichtgeschwindigkeiten des einfallenden Lichts messen würde.

Nach der Beobachtung, dass sich Licht wie eine Welle ausbreitet ( Undulationstheorie ), konnte man die Aberration jedoch nicht mehr verstehen. Bei einer Lichtwelle würden sich in der newtonschen Physik die Wellenfronten bei Bewegung des Beobachters nicht ändern. Erst in der speziellen Relativitätstheorie ändern sich die Wellenfronten aufgrund der Relativität der Gleichzeitigkeit so wie Teilchenbahnen, und Aberration wird verstehbar, ob sie nun bei Wellen oder bei Teilchen auftritt.

Dopplereffekt

Bei Wellen, die sich in einem Trägermedium fortpflanzen, wie den Schallwellen , kommt es bei einer Bewegung der Quelle oder des Empfängers gegenüber dem Trägermedium zu einer Veränderung der gemessenen Frequenz . Dabei ist der Effekt verschieden je nachdem, ob die Quelle oder der Empfänger gegenüber dem Trägermedium bewegt ist. Generell wird die Frequenz größer, wenn sich Quelle und Empfänger aufeinander zubewegen, weil dann vom Empfänger in derselben Zeit mehr Wellenberge wahrgenommen werden. Entsprechend wird die Frequenz kleiner, wenn sich Quelle und Empfänger auseinanderbewegen. Diese Frequenzverschiebung heißt Dopplereffekt . Bei Schallwellen kann der Empfänger schneller sein als die Wellen und ihnen ganz entkommen; entsprechend kann die Quelle ihrem eigenen Signal vorauseilen, was zum Überschallknall führt.

Bei Lichtwellen im Vakuum ist keine Relativbewegung zum Trägermedium messbar, da die Vakuumlichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen gleich ist. Der Dopplereffekt des Lichts kann also nur von der Relativgeschwindigkeit von Quelle und Empfänger abhängen, das heißt, es gibt keinen Unterschied zwischen Bewegung der Quelle und des Empfängers. Da eine Relativbewegung schneller als mit Vakuumlichtgeschwindigkeit nicht möglich ist, gibt es für Licht im Vakuum kein analoges Phänomen zum Überschallknall. In Medien wie Wasser, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts geringer ist als im Vakuum, gibt es mit dem Tscherenkow-Effekt ein dem Überschallknall ähnliches Phänomen.

Es ist klar, dass die Zeitdilatation einen Einfluss auf die Frequenzen hat, die zwei relativ zueinander bewegte Beobachter messen. Daher tritt beim Licht auch ein Dopplereffekt auf, wenn sich der Beobachter senkrecht zur Richtung bewegt, in der die Quelle liegt. Dieser Effekt heißt transversaler Dopplereffekt . Die Definition des Einfallswinkels hängt aufgrund der Aberration vom Beobachter ab. Daher tritt je nachdem, in welchem Bezugssystem das Licht senkrecht einfällt, eine Frequenzerhöhung ( Blauverschiebung ) oder -verringerung ( Rotverschiebung ) auf:

  • Aus Sicht des Ruhesystems des Empfängers vergeht aufgrund der Zeitdilatation die Zeit im System der Quelle langsamer. Das bedeutet, dass er in seinem System eine niedrigere Frequenz misst als ein Beobachter, der relativ zur Quelle ruht, er misst also eine Rotverschiebung. Der zur Quelle ruhende Beobachter erklärt den Effekt damit, dass sich der Empfänger zum Zeitpunkt des Empfangens nicht senkrecht zur Richtung der Quelle, sondern von der Quelle weg bewegt. Der Lichtstrahl trifft den Empfänger aus seiner Sicht von hinten, womit er die Rotverschiebung erklärt.
  • Aus Sicht des Ruhesystems der Quelle vergeht die Zeit im Ruhesystem des Empfängers langsamer. Daher misst der Empfänger eine höhere Frequenz, also eine Blauverschiebung, wenn das Licht im Ruhesystem der Quelle senkrecht zur Bewegungsrichtung den Empfänger trifft. Der Empfänger erklärt diese Blauverschiebung wieder anders, denn aus seiner Sicht trifft ihn der Lichtstrahl nicht im rechten Winkel , sondern schräg von vorn. Er wird also die Blauverschiebung durch die Annäherung an die Quelle erklären.

Lorentzkraft

Illustration der Lorentzkraft

Die Relativitätstheorie wird nicht erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten relevant. Die Lorentzkraft bietet ein Beispiel dafür, wie sich in der Erklärung bekannter Effekte bereits bei sehr geringen Geschwindigkeiten grundlegende Unterschiede gegenüber der klassischen Physik ergeben können.

Dazu betrachtet man eine einzelne negative elektrische Probeladung in gewissem Abstand neben einem Draht, der insgesamt elektrisch neutral ist, aber aus einem positiv geladenen, starren Grundmaterial (den Atomrümpfen) und vielen negativ geladenen, beweglichen Elektronen besteht. In der Ausgangssituation ruht die Probeladung und im Draht fließt kein Strom. Daher wirkt auf die Probeladung weder eine elektrische noch eine magnetische Kraft. Bewegen sich nun die Probeladung außerhalb und die Elektronen innerhalb des Drahtes mit gleicher Geschwindigkeit längs des Drahtes, fließt im Draht ein Strom. Dieser erzeugt ein Magnetfeld; es übt auf die Probeladung, weil sie sich bewegt, die Lorentzkraft aus, die sie radial zum Draht hinzieht. Dies ist die Beschreibung in dem Bezugssystem, in dem das positive Grundmaterial des Drahtes ruht.

Im Bezugssystem, das mit der negativen Ladung mitbewegt wird, wirkt dieselbe Kraft, muss aber ganz anders erklärt werden. Eine Lorentzkraft kann es nicht sein, denn die Geschwindigkeit der Probeladung ist ja Null. Es bewegt sich aber das positiv geladene Grundmaterial des Drahtes und erscheint nun durch die Lorentzkontraktion verkürzt. Es erhält dadurch eine vergrößerte Ladungsdichte, während die im Draht befindlichen Elektronen in diesem Bezugssystem ruhen und daher dieselbe Ladungsdichte haben wie in der Ausgangssituation. Die gesamte Ladungsdichte im Draht zeigt also einen Überschuss an positiver Ladung. Er übt auf die ruhende negative Probeladung eine elektrostatische Kraft aus, die sie radial zum Draht hinzieht. Dies ist die Beschreibung im mitbewegten Bezugssystem.

Beide Beschreibungen führen zu gleichen Voraussagen über die Kraft, die auf die Probeladung wirkt. Ohne Berücksichtigung der Lorentzkontraktion ließe sich dies nicht erklären; in beiden Bezugssystemen bliebe dann der Draht elektrisch neutral. Zwar würde vom Standpunkt des bewegten Bezugssystems aus das bewegte positive Grundmaterial des Drahtes einen Stromfluss bedeuten, der ein Magnetfeld erzeugt, dieses hätte aber auf die ruhende Probeladung keine Wirkung.

Diese Betrachtung zeigt, dass durch Lorentztransformationen Magnetfelder und elektrische Felder teilweise ineinander umgewandelt werden. Das ermöglicht es, die Lorentzkraft auf elektrostatische Anziehung zurückzuführen. Dieser Effekt hat bereits für kleine Geschwindigkeiten messbare Auswirkungen – die mittlere Elektronengeschwindigkeit in Drahtrichtung ist bei Stromfluss typischerweise unter einem Millimeter pro Sekunde, also sehr viel kleiner als Lichtgeschwindigkeit.

Indirekte Effekte

Viele direkte Effekte sind schon deshalb nicht offensichtlich, weil sie meist erst bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit auftreten würden. Aber es gibt viele indirekte Effekte, darunter die folgenden:

  • Zu den mehr indirekten Bestätigungen gehören auch viele Bestrahlungs- und Diagnoseverfahren der Medizin , die z. B. auf Röntgen - oder Kernspin -Effekten beruhen.
  • Zu den sog. „ultrarelativistischen“ Effekten gehören die auf der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen beruhenden Verfahren der Funk-, Fernseh- und Telephonie-Technologien.
  • Auf der Äquivalenz von Masse und Energie beruht u. A. die gesamte Kernenergietechnik.

Alle diese Effekte können als indirekte Bestätigungen der speziellen Relativitätstheorie gewertet werden.

Verhältnis zu anderen Theorien

Klassische Mechanik

Die spezielle Relativitätstheorie tritt an die Stelle der dynamischen Gesetze der klassischen Mechanik . Allerdings sind die Gesetze der klassischen Mechanik über Jahrhunderte immer wieder sehr genau bestätigt worden. Dabei wurden jedoch immer Geschwindigkeiten betrachtet, die sehr viel kleiner waren als die Lichtgeschwindigkeit. Für solche kleinen Geschwindigkeiten sollte die spezielle Relativitätstheorie also dieselben Ergebnisse liefern wie die klassische Mechanik. Das bedeutet, dass die Lorentztransformationen für sehr kleine Geschwindigkeiten die Galilei-Transformationen ergeben müssen. Daraus ergibt sich dann sofort, dass auch der Impuls, die kinetische Energie und alle anderen Größen für kleine Geschwindigkeiten die bekannten klassischen Werte annehmen.

Wenn der Zug in den obigen Gedankenexperimenten sehr viel langsamer fährt als mit Lichtgeschwindigkeit, ist der Unterschied zwischen den Gleichzeitigkeitsbegriffen der Beobachter sehr klein. Das führt dazu, dass auch die anderen relativistischen Effekte so klein werden, dass man sie kaum beobachten kann. Wenn also die Zeitdilatation so klein ist, dass sie unbemerkt bleibt, werden durch die Lorentztransformation anscheinend nur die Raumkoordinaten transformiert. Wenn auch die Längenkontraktion unbemerkt bleibt, bleiben genau die Galilei-Transformationen übrig.

Das veranschaulicht, dass die spezielle Relativitätstheorie für sehr kleine Geschwindigkeiten dieselben Resultate wie die klassische Mechanik liefert. Die Tatsache, dass die Voraussagen einer alten, bewährten Theorie auch in einer neuen Theorie ableitbar sein müssen, wird als Korrespondenzprinzip bezeichnet. Die spezielle Relativitätstheorie erfüllt also das Korrespondenzprinzip bezüglich der klassischen Mechanik. Bei nicht-mechanischen, elektromagnetischen Prozessen ist das nicht immer so, wie durch die Erklärung der Lorentzkraft illustriert wird.

Im Physikunterricht wird oft eine Geschwindigkeit von 0,1c (10 % der Lichtgeschwindigkeit) als Faustregel verwendet; bis zu diesem Wert gelten Berechnungen nach klassischer Physik als akzeptabel, bei höheren Geschwindigkeiten ist relativistisch zu rechnen. [4] Letztlich entscheidet jedoch die konkrete Problemstellung, bei welchen Geschwindigkeiten relativistisch gerechnet werden muss.

Allgemeine Relativitätstheorie

In Raumbereichen, bei denen die Wirkung der Gravitation vernachlässigbar ist (also insbesondere weit entfernt von großen Massen), kann die SRT sämtliche Arten von Bewegungen beschreiben (entgegen einer häufigen Fehlannahme auch beschleunigte Bewegungen ). [5] Dagegen tritt bei Berücksichtigung von Gravitationseffekten die allgemeine Relativitätstheorie an die Stelle der speziellen Relativitätstheorie. Insofern muss auch hier ein Korrespondenzprinzip erfüllt sein, da die Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie sehr genau experimentell bestätigt sind.

Im Unterschied zur speziellen Relativitätstheorie ist die Raumzeit in der allgemeinen Relativitätstheorie gekrümmt und die Theorie muss daher streng lokal formuliert werden. Für große Entfernungen können sich deshalb Abweichungen von den Aussagen der speziellen Relativitätstheorie ergeben. Durch die Berücksichtigung der Gravitation ist vor allem in der Nähe von großen Massen, allgemeiner in der Nähe großer Energien, die spezielle Relativitätstheorie nur für kleine Distanzen gültig.

Ein besonders illustrativer Effekt, der die Grenze der Gültigkeit der speziellen Relativitätstheorie zeigt, ist die Shapiro-Verzögerung : Für Licht, das nahe an einem Körper mit großer Masse, wie der Sonne, vorbeigeschickt wird, misst ein Beobachter, der weiter von dem massiven Körper entfernt ist, eine kleinere Geschwindigkeit als die erwartete Vakuumlichtgeschwindigkeit. Ein Beobachter direkt beim Lichtstrahl misst dagegen die „richtige“ Lichtgeschwindigkeit. Offensichtlich gelten also die Gesetze der speziellen Relativitätstheorie, wie die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, nur in kleinen Bereichen. In der allgemeinen Relativitätstheorie wird das dadurch klar, dass die Raumzeit eine sogenannte Lorentzmannigfaltigkeit bzw. ein Riemann-Raum ist, der jedoch an jedem Raumzeitpunkt lokal durch einen Minkowski-Raum – das ist die flache Raumzeit der speziellen Relativitätstheorie – beschrieben werden kann.

Quantentheorie

Im Gegensatz zur allgemeinen Relativitätstheorie , bei der nach wie vor unklar ist, wie sie mit der Quantenphysik zu einer Theorie der Quantengravitation verschmolzen werden kann, gehören speziell-relativistische Quantentheorien zu den Standardwerkzeugen der modernen Physik. Tatsächlich lassen sich viele Versuchsergebnisse gar nicht verstehen, wenn man nicht sowohl die Prinzipien der Quantentheorie als auch das Raum-Zeit-Verständnis der speziellen Relativitätstheorie berücksichtigt.

Bereits im halbklassischen Bohr-Sommerfeldschen Atommodell gelingt es erst bei Einbeziehung der speziellen Relativitätstheorie, die Feinstruktur von atomaren Energieniveaus zu erklären.

Paul Dirac entwickelte eine Wellengleichung , die Dirac-Gleichung , die das Verhalten von Elektronen unter Berücksichtigung der speziellen Relativitätstheorie in der Quantenmechanik beschreibt. Diese Gleichung führt zur Beschreibung des Spins , einer Eigenschaft des Elektrons, die durch die nichtrelativistische Quantenmechanik nur festgestellt, aber nicht erklärt werden kann, und zur Vorhersage des Positrons als Antiteilchen des Elektrons. Auch die Feinstruktur kann wie in den halbklassischen Modellen durch die nichtrelativistische Quantenmechanik nicht erklärt werden.

Allerdings: Gerade die Existenz von Antiteilchen zeigt, dass bei der Vereinigung von spezieller Relativitätstheorie und Quantentheorie nicht einfach eine relativistische Version der üblichen Quantenmechanik herauskommen kann. Stattdessen ist eine Theorie nötig, in der die Teilchenzahl variabel ist – Teilchen können vernichtet und erzeugt werden (einfachstes Beispiel: die Paarbildung von Teilchen und Antiteilchen). Dies leisten die (relativistischen) Quantenfeldtheorien , etwa die Quantenelektrodynamik als speziell-relativistische Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung und die Quantenchromodynamik als Beschreibung der starken Kraft , welche die Bausteine von Atomkernen zusammenhält.

In Gestalt des Standardmodells der Elementarteilchenphysik bilden relativistische Quantenfeldtheorien das Rückgrat der heutigen Physik der kleinsten Teilchen. Die Vorhersagen des Standardmodells lassen sich an Teilchenbeschleunigern mit hoher Präzision testen, und die Vereinigung von spezieller Relativitätstheorie und Quantentheorie gehört damit zu den am strengsten überprüften Theorien der modernen Physik.

Äthertheorien

Die spezielle Relativitätstheorie wird in der Literatur vielfach als Gegentheorie zum Äther aufgefasst. Die meisten Äthertheorien sind mit der speziellen Relativitätstheorie unvereinbar und werden durch die experimentellen Bestätigungen der speziellen Relativitätstheorie widerlegt.

Eine Ausnahme bildet die lorentzsche Äthertheorie , die von Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré vor und gleichzeitig mit der speziellen Relativitätstheorie entwickelt worden war. Diese Theorie ist in ihren Vorhersagen identisch mit der speziellen Relativitätstheorie, nimmt jedoch an, dass es ein absolut ruhendes Bezugssystem gibt, welches sich aber durch keine Beobachtung von jedem anderen Bezugssystem unterscheiden lässt. Diese Theorie gilt heute als veraltet, weil das Postulat des unbeobachtbaren Ruhesystems das Sparsamkeitsprinzip verletzt. Außerdem ist noch ungeklärt, ob die lorentzsche Äthertheorie mit der allgemeinen Relativitätstheorie verträglich ist.

Literatur

Weblinks

Commons : Spezielle Relativitätstheorie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wikibooks: Spezielle Relativitätstheorie – Lern- und Lehrmaterialien

Relativistische Effekte

Einzelnachweise und Kommentare

  1. Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. In: Annalen der Physik und Chemie. 17, 1905, S. 891–921; Faksimile (PDF; 2,0 MB)
  2. G. Saathoff, S. Karpuk, U. Eisenbarth et al.: Improved Test of Time Dilation in Special Relativity In: Phys. Rev. Lett. , 91, 2003, 190403, doi:10.1103/PhysRevLett.91.190403 – Überprüfung der Vorhersage der speziellen Relativitätstheorie zur Zeitdilatation mit einer Genauigkeit von 2 . 2 e - 7
  3. Simon Rainville, James K. Thompson, Edmund G. Myers, John M. Brown, Maynard S. Dewey, Ernest G. Kessler, Richard D. Deslattes, Hans G. Börner, Michael Jentschel, Paolo Mutti, David E. Pritchard: World Year of Physics: A direct test of E=mc2 . In: Nature . Band   438 , Nr.   7071 , 22. Dezember 2005, S.   1096–1097 , doi : 10.1038/4381096a .
  4. Hanno Krieger: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes . 5. Auflage. Springer 2017, S. 24.
  5. Roger Penrose: The Road to Reality . New York 2005, S. 422.
  6. Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie . Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-540-87776-9 , doi : 10.1007/978-3-540-87777-6 ( springer.com [abgerufen am 13. Juli 2020]).
  7. Max Born: Die Relativitätstheorie Einsteins . Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2003, ISBN 978-3-642-32357-7 , doi : 10.1007/978-3-642-55459-9 ( springer.com [abgerufen am 13. Juli 2020]).