Die spezielle Relativitätstheorie, veröffentlicht 1905 von Einstein und eine wichtige Verallgemeinerung einer Reihe früherer Hypothesen, ist eine der resonantesten und am meisten diskutierten in der Physik.
In der Tat ist es schwer vorstellbar, dass, wenn sich ein Objekt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, physikalische Prozesse für es auf völlig ungewöhnliche Weise ablaufen: seine Länge nimmt ab, seine Masse zu und die Zeit verlangsamt sich. Unmittelbar nach der Veröffentlichung begannen Versuche, die Theorie zu diskreditieren, die bis heute andauern, obwohl mehr als hundert Jahre vergangen sind. Kein Wunder, denn die Frage nach der Uhrzeit beschäftigt die Menschheit schon lange und zieht alle Blicke auf sich.
Was ist Relativismus
Das Wesen der relativistischen Mechanik (sie ist auch die spezielle Relativitätstheorie, im Folgenden SRT genannt) und ihr Unterschied zur klassischen Mechanik wird durch die direkte Übersetzung ihres Namens anschaulich zum Ausdruck gebracht: lateinisch relativus bedeutet „relativ“. SRT postuliert die Unvermeidlichkeit der Zeitdilatation für ein Objekt, wenn es sich relativ zu einem Beobachter bewegt.
Der Unterschieddieser von Albert Einstein vorgeschlagenen Theorie aus der Newtonschen Mechanik und liegt darin, dass alle ablaufenden Prozesse nur relativ zueinander oder zu einem außenstehenden Beobachter betrachtet werden können. Bevor wir beschreiben, was relativistische Zeitdilatation ist, ist es notwendig, ein wenig auf die Frage der Theoriebildung einzugehen und festzustellen, warum ihre Formulierung überhaupt möglich und sogar obligatorisch wurde.
Die Ursprünge der Relativitätstheorie
Ende des 19. Jahrhunderts begriffen Wissenschaftler, dass einige experimentelle Daten nicht in das Weltbild der klassischen Mechanik passen.
Grundlegende Widersprüche führten zu Versuchen, Newtons Mechanik mit Maxwells Gleichungen zu kombinieren, die die Bewegung elektromagnetischer Wellen im Vakuum und in kontinuierlichen Medien beschreiben. Dass Licht eine solche Welle ist, war bereits bekannt und sollte im Rahmen der Elektrodynamik betrachtet werden, aber es war äußerst problematisch, mit visueller und vor allem bewährter Mechanik zu argumentieren.
Der Widerspruch war jedoch offensichtlich. Angenommen, vor einem fahrenden Zug ist eine Laterne befestigt, die nach vorne leuchtet. Laut Newton müssen sich die Geschwindigkeiten des Zuges und das von der Laterne kommende Licht addieren. Maxwells Gleichungen in dieser hypothetischen Situation "brachen" einfach. Ein völlig neuer Ansatz war erforderlich.
Spezielle Relativitätstheorie
Es wäre falsch zu glauben, dass Einstein die Relativitätstheorie erfunden hat. Tatsächlich wandte er sich den Arbeiten und Hypothesen von Wissenschaftlern zu, die vor ihm gearbeitet hatten. Der Autor näherte sich jedochFrage andererseits und statt der Newtonschen Mechanik die Maxwellschen Gleichungen als "a priori richtig" erkannt.
Neben dem berühmten Relativitätsprinzip (eigentlich von Galileo formuliert, jedoch im Rahmen der klassischen Mechanik) führte dieser Ansatz Einstein zu einer interessanten Aussage: Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Koordinatensystemen konstant Hinweis. Und es ist diese Schlussfolgerung, die es uns erlaubt, über die Möglichkeit zu sprechen, die Zeitstandards zu ändern, wenn sich das Objekt bewegt.
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Es scheint, dass die Aussage "Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant" nicht überraschend ist. Aber versuchen Sie sich vorzustellen, dass Sie still stehen und beobachten, wie sich das Licht mit einer festen Geschwindigkeit von Ihnen entfernt. Du folgst dem Strahl, aber er bewegt sich mit genau der gleichen Geschwindigkeit weiter von dir weg. Wenn Sie sich umdrehen und in die entgegengesetzte Richtung vom Strahl fliegen, ändern Sie in keiner Weise die Geschwindigkeit Ihres Abstands voneinander!
Wie ist das möglich? Hier beginnt das Gespräch über den relativistischen Effekt der Zeitdilatation. Interessant? Dann lesen Sie weiter!
Relativistische Zeitdilatation nach Einstein
Wenn sich die Geschwindigkeit eines Objekts der Lichtgeschwindigkeit nähert, wird die interne Zeit des Objekts so berechnet, dass es sich verlangsamt. Wenn wir davon ausgehen, dass sich ein Mensch mit ähnlicher Geschwindigkeit parallel zum Sonnenstrahl bewegt, hört die Zeit für ihn überhaupt auf zu laufen. Es gibt eine Formel für die relativistische Zeitdilatation, die ihre Beziehung zur Geschwindigkeit eines Objekts widerspiegelt.
Bei der Beschäftigung mit diesem Thema sollte jedoch beachtet werden, dass kein Körper mit Masse auch nur theoretisch Lichtgeschwindigkeit erreichen kann.
Theoriebezogene Paradoxien
Spezielle Relativitätstheorie ist eine wissenschaftliche Arbeit und nicht leicht zu verstehen. Das öffentliche Interesse an der Frage, was die Zeit ist, führt jedoch regelmäßig zu Ideen, die auf der alltäglichen Ebene wie unlösbare Paradoxien erscheinen. Das folgende Beispiel verblüfft beispielsweise die meisten Menschen, die ohne Physikkenntnisse in die SRT eingeführt werden.
Es gibt zwei Flugzeuge, von denen eines geradeaus fliegt und das zweite abhebt und, nachdem es einen Bogen mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit beschrieben hat, das erste einholt. Wie vorauszusehen war, stellte sich heraus, dass die Zeit für den zweiten Apparat (der fast mit Lichtgeschwindigkeit flog) langsamer verging als für den ersten. Allerdings sind gemäß dem SRT-Postulat die Referenzrahmen für beide Flugzeuge gleich. Das bedeutet, dass die Zeit sowohl für das eine als auch für das andere Gerät langsamer vergehen kann. Es scheint, dass dies eine Sackgasse ist. Aber…
Paradoxien lösen
Tatsächlich ist die Quelle dieser Art von Paradoxien ein Missverständnis des Mechanismus der Theorie. Dieser Widerspruch lässt sich mit einem bekannten spekulativen Experiment auflösen.
Wir haben einen Schuppen mit zwei Türen, die einen Durchgang bilden, und einer Stange, die etwas länger ist als die Länge des Schuppens. Wenn wir die Stange von Tür zu Tür spannen, können sie nicht schließen oder sie brechen einfach unsere Stange. Wenn die Stange in die Scheune fliegt,hat eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit, seine Länge nimmt ab (denken Sie daran: ein Objekt, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, hat eine Länge von Null), und in dem Moment, in dem es sich in der Scheune befindet, können wir die schließen und öffnen Türen, ohne unsere Stützen zu zerbrechen.
Andererseits soll, wie im Beispiel mit dem Flugzeug, die Scheune relativ zur Stange abnehmen. Das Paradoxon wiederholt sich, und es scheint, als gäbe es keinen Ausweg - beide Objekte werden synchron in der Länge reduziert. Denken Sie jedoch daran, dass alles relativ ist, und lösen Sie das Problem, indem Sie die Zeit ändern.
Relativität der Gleichzeitigkeit
Wenn die Vorderkante der Stange innen vor der Haustür ist, können wir sie schließen und öffnen, und in dem Moment, in dem die Stange vollständig in den Schuppen fliegt, machen wir dasselbe mit der Rückseite Tür. Es scheint, dass wir es nicht gleichzeitig tun, und das Experiment ist fehlgeschlagen, aber hier stellt sich die Hauptsache heraus: Gemäß der speziellen Relativitätstheorie befinden sich die Schließmomente beider Türen am selben Punkt auf der Zeitachse.
Dies geschieht, weil Ereignisse, die gleichzeitig in einem Bezugssystem auftreten, in einem anderen nicht gleichzeitig auftreten. Relativistische Zeitdilatation manifestiert sich in der Beziehung von Objekten, und wir kehren zu der absolut alltäglichen Verallgemeinerung von Einsteins Theorie zurück: Alles ist relativ.
Noch ein Detail: Die Gleichheit der Bezugssysteme ist in der SRT relevant, wenn sich beide Objekte gleichmäßig und geradlinig bewegen. Sobald einer der Körper zu beschleunigen oder abzubremsen beginnt, wird sein Bezugsrahmen eindeutigmöglich.
Zwillingsparadoxon
Das berühmteste Paradoxon, das die relativistische Zeitdilatation "auf einfache Weise" erklärt, ist ein Gedankenexperiment mit zwei Zwillingsbrüdern. Einer von ihnen fliegt in einem Raumschiff mit nahezu Lichtgeschwindigkeit davon, während der andere am Boden bleibt. Bei der Rückkehr stellt der Astronautenbruder fest, dass er selbst um 10 Jahre ge altert ist und sein Bruder, der zu Hause geblieben ist, um ganze 20 Jahre ge altert ist.
Das Gesamtbild sollte dem Leser bereits aus den vorangegangenen Erläuterungen klar sein: Für den Bruder auf dem Raumschiff verlangsamt sich die Zeit, weil seine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit liegt; wir können den Bezugsrahmen relativ zum Bruder vor Ort nicht akzeptieren, da er sich als nicht träge erweisen wird (nur ein Bruder erfährt Überlastungen).
Ich möchte noch etwas anmerken: Egal welchen Grad die Gegner im Streit erreichen, die Tatsache bleibt: Die Zeit in ihrem absoluten Wert bleibt konstant. Egal wie viele Jahre ein Bruder auf einem Raumschiff fliegt, er wird weiterhin genau so schnell altern, wie die Zeit in seinem Bezugsrahmen vergeht, und der zweite Bruder wird genau so schnell altern – der Unterschied wird erst dann sichtbar sie sich treffen, und in keinem anderen Fall.
Schwerkraft-Zeitdilatation
Abschließend sei angemerkt, dass es noch eine zweite Art der Zeitdilatation gibt, die bereits mit der allgemeinen Relativitätstheorie in Verbindung gebracht wird.
Sogar im 18. Jahrhundert sagte Mitchell die Existenz des Roten vorausVerschiebung, was bedeutet, dass sich die Zeit dafür ändert, wenn sich ein Objekt zwischen Bereichen mit starker und schwacher Schwerkraft bewegt. Trotz der Versuche, das Thema von Laplace und Zoldner zu untersuchen, legte nur Einstein 1911 eine umfassende Arbeit zu diesem Thema vor.
Dieser Effekt ist nicht weniger interessant als die relativistische Zeitdilatation, erfordert aber eine gesonderte Untersuchung. Und das ist, wie sie sagen, eine ganz andere Geschichte.
