Die Relativitätstheorie erklärt, warum Raum und Zeit nicht für alle gleich sind. Sie beschreibt, was passiert, wenn sich Objekte sehr schnell bewegen oder wenn große Massen im Spiel sind.
Der Name sagt schon viel: Es geht um das Erleben von Bewegung und Zeit, sogar um das Erleben von Gleichzeitigkeit. Alles ist relativ zur Bewegung des Beobachters.
Begründet wurde die Relativitätstheorie von Albert Einstein. Sie besteht aus zwei Teilen: der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie.
Wikipedia: Relativitätstheorie | Spezielle Relativitätstheorie | Allgemeine Relativitätstheorie
Begriffe: Bewegung, Beobachter, Raum, Zeit, Lichtgeschwindigkeit, Gravitation, Relativität
Wie kam man auf die Relativitätstheorie?
Vor Einstein dachte man: Raum und Zeit sind absolut. Man suchte nach einem festen Bezugssystem – einem kosmischen Ruhepunkt.
Man nahm an, dass sich Licht durch ein unsichtbares Medium bewegt, den sogenannten Äther. Dieser sollte überall vorhanden sein und als Träger des Lichts dienen.
Das berühmte Michelson-Morley-Experiment zeigte jedoch: Einen solchen Äther gibt es nicht. Es gibt keine absolute Ruhe, nur relative Bewegung.
Die Voraussetzungen
Die Relativitätstheorie beruht auf zwei Grundannahmen:
- Die Naturgesetze sind für alle gleich bewegten Beobachter gleich.
- Die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich groß – etwa 300.000 km/s.
Egal, ob man eine Taschenlampe im Zug, im Raumschiff oder im Wohnzimmer einschaltet: Das Licht hat immer dieselbe Geschwindigkeit.
Die spezielle Relativitätstheorie
Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt, was bei sehr hohen Geschwindigkeiten passiert – nahe der Lichtgeschwindigkeit.
Ein Beobachter sieht bei einem schnellen Reisenden:
- Zeitdilatation:
Die Zeit des bewegten Objekts vergeht langsamer. - Längenkontraktion:
Entfernungen in Bewegungsrichtung verkürzen sich. - Relativistische Massenzunahme:
Die Masse eines schnellen Objekts nimmt zu. - Relativität der Gleichzeitigkeit:
Was gleichzeitig ist, hängt vom Beobachter ab.
Formeln der speziellen Relativitätstheorie
Zeitdilatation
Längenkontraktion
Relativistische Massenzunahme
Mini-Erklärung
Die gestrichenen Größen (t′, l′, m′) gehören zu einem Objekt, das sich sehr schnell bewegt. Die ungestrichenen Größen (t, l, m) werden von einem ruhenden Beobachter gemessen.
Je näher die Geschwindigkeit v an die Lichtgeschwindigkeit c kommt, desto stärker werden die Effekte: Zeit vergeht langsamer, Längen in Bewegungsrichtung werden kürzer und die Masse nimmt zu.
Bei Alltagsgeschwindigkeiten sind diese Effekte extrem klein. Darum merken wir sie im normalen Leben nicht.
Übrigens…
Diese Effekte treten im Alltag nicht auf, weil unsere Geschwindigkeiten viel zu klein sind.
E = mc²
Zur speziellen Relativitätstheorie gehört auch: E = mc². Masse und Energie sind äquivalent.
Bei Kernfusion, Kernspaltung und in Sternen wird ein Teil der Masse in Energie umgewandelt. Diese Energie wird frei.
Die allgemeine Relativitätstheorie
Die allgemeine Relativitätstheorie erweitert das Bild: Sie beschreibt Gravitation.
Gravitation ist keine Kraft im klassischen Sinn. Masse und Energie krümmen Raum und Zeit. Andere Körper bewegen sich in dieser gekrümmten Raumzeit.
Oft veranschaulicht man das mit einer Kugel auf einer Gummimatte.
Wo sieht man das in der Wirklichkeit?
Atomuhren zeigen: Bewegte Uhren gehen langsamer. Das wurde mit Flugzeugen gemessen und ist für GPS unverzichtbar.
In Teilchenbeschleunigern müssen relativistische Effekte berücksichtigt werden, sonst funktionieren sie nicht.
Myonen aus der Atmosphäre erreichen die Erde, weil ihre Zeit langsamer vergeht oder weil der Weg aus unserer Sicht kürzer wird. Beides beschreibt dasselbe Phänomen.
Auch die Sonne liefert ein Beispiel: Sie strahlt, weil bei der Kernfusion Masse in Energie umgewandelt wird.
Fragen
- Warum gibt es keine absolute Ruhe?
- Warum ist die Lichtgeschwindigkeit so besonders?
- Warum vergeht Zeit nicht für alle gleich?
- Was bedeutet Längenkontraktion?
- Warum merkt man Relativität im Alltag nicht?
Immer noch interessiert?
Rechenbeispiele zur Relativitätstheorie (PDF)
Wichtige Wörter: bewegen, beobachten, messen, krümmen, vergleichen, Raum, Zeit, Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation, Längenkontraktion, Gravitation
Was muss ich mir merken?
Die Relativitätstheorie zeigt: Raum und Zeit sind nicht absolut. Bei hoher Geschwindigkeit vergeht Zeit langsamer, Längen schrumpfen und Masse nimmt zu. Gravitation entspricht einer Krümmung der Raumzeit.