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Relativitätstheorie

Sie ist fraglos die bekannteste aller wissenschaftlichen Theorien, zugleich aber auch eine Theorie, die nur wenige Menschen bis in ihre Details verstehen. Albert Einstein veröffentlichte zuerst im Jahre 1905 die spezielle Relativitätstheorie und im Jahr 1916 die allgemeine Relativitätstheorie.

Der Kernpunkt der Relativitätstheorie bezieht sich auf die Feststellung, dass nichts schneller als das Licht ist. Alles andere verhält sich dazu relativistisch. Über diese Kernaussage erklärt Einstein das Verhältnis von Raum und Zeit.

In der speziellen Relativitätstheorie besitzen zwei Grundsätze die größte Bedeutung:

1: Das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Wenn verschiedene Beobachter aus unterschiedlichen Standpunkten und Bewegungszuständen ein und denselben Lichtstrahl messen, werden sie dasselbe Ergebnis erhalten.

2: Für alle Beobachter, die sich zueinander relativ mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, besitzen die physikalischen Gesetze dieselbe Gestalt. Das ist das Relativitätsprinzip.

Was ist die Kernaussage hierbei?

Wie schon Newton stellt Einstein fest, dass es kein absolut ruhendes Bezugssystem gibt. Alles ist relativ. Wer oder was auch immer eine Beobachtung macht, tut dies im Verhältnis zur eigenen Bewegung im Raum und auch in der Zeit. Ein absolut ruhendes Bezugsystem kann es nur geben, wenn dafür die Gesetze der Physik nicht gelten, also gibt es kein absolut ruhendes Bezugssystem, denn die Gesetze der Physik besitzen immer Gültigkeit.

Einstein erklärte in der Relativitätstheorie auch, warum der Mensch niemals Lichtgeschwindigkeit beziehungsweise Überlichtgeschwindigkeit erreichen kann. Ein materielles Objekt, Licht ist kein materielles Objekt sondern besteht aus elektromagnetischen Wellen ohne Masse, benötigt mit zunehmender Geschwindigkeit eine immer größer werdende kinetische Energie oder Bewegungsenergie. Diese Energie ist abhängig von der Masse und wird in der Beschleunigung hinzugerechnet. Letztlich spielt es aber keine Rolle, ob nur ein Kohlenstoff-Atom oder ein Mensch aus Fleisch und Blut versucht, Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Ab einem gewissen Punkt, abhängig von der Masse, ist der Bedarf an kinetischer Energie so groß, das unendlich viel Energie aufgebracht werden müsste, um weiter zu beschleunigen. Die höchstmögliche bisher gemessene Geschwindigkeit wurde mit 99,988 Prozent der Lichtgeschwindigkeit von Wasserstoffprotonen im Teilchenbeschleuniger in CERN erreicht. Dabei betrug die Masse der Protonen das 4250-fache der Ruhemasse. Ein Mensch mit vielleicht 75 kg Gewicht hätte sodann eine Masse von über 318.000 kg.

Die Raumzeit

In der Relativitätstheorie sind Raum und Zeit formal gesehen fast gleichwertig, Einstein vereint die beiden Erscheinungen zu einer vierdimensionalen Größe, der Raumzeit. Das der Mensch Raum und Zeit verschieden betrachtet, hängt von der menschlichen Wahrnehmung ab. Einstein beschreibt die Raumzeit als einen vierten Vektor neben dem uns umgebenden dreidimensionalen Raum. Das erlaubt unter anderem die Berechnung galaktischer Entfernungen, deren Zielpunkte außerhalb der menschlichen Wahrnehmung oder der Erfassungsmöglichkeit liegen.

Was bedeutet E = m * c² ?

Die bekannte Formel, die oft als Erkennungszeichen zur Relativitätstheorie gezeigt wird, beschreibt die Äquivalenz von Masse und Energie.

Quizfragen zum Thema

1. Was ist ein Inertialsystem?

   In einem Inertialsystem gilt der Trägheitssatz von Isaac Newton, der besagt, dass ein Körper, auf den keine Kräfte wirken, ruht oder sich mit richtungs- und betragskonstanter Geschwindigkeit bewegt.

2. Wie hoch ist die Lichtgeschwindigkeit?

   Im luftleeren Raum beträgt die Lichtgeschwindigkeit 299792458 m/s

3. Für wen vergeht die Zeit langsamer?
   A: Für eine Person, die in einem Flugzeug reist
   B: Für eine Person, die an einem Ort bleibt

   A: Für die Person im Flugzeug vergeht die Zeit langsamer. Einstein bewies, dass sich die Zeit für sich bewegende Massen verlangsamt. Allerdings bewegt sich der Unterschied bei den dem Menschen möglichen Geschwindigkeiten nur in Bruchteilen von Sekunden.

4. Wie verhält sich die Masse eines Körpers bei zunehmender Geschwindigkeit?
   A) sie schrumpft
   B) sie wächst

   B) Die Masse des Körpers wächst bei zunehmender Geschwindigkeit

5. Was ist die Zeitdilatation?

   Die Zeitdilatation bewirkt das langsamere Ablaufen aller inneren Prozesse eines physikalischen Systems relativ zum Beobachter, wenn sich das System relativ zum Beobachter bewegt.

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