Was ist Relativitätstheorie?

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Der Begriff & # 39; Relativitätstheorie & # 39; Heute impliziert dies normalerweise Einsteins Relativitätstheorie. Wenn Sie jemanden fragen, was Relativitätstheorie ist, lautet die Antwort oft, dass es sich um eine relative Bewegung handelt, die Einstein erfunden hat. Nicht so.

Galileo Galilei (1632)

Galileo Galilei beschrieb zuerst das Relativitätsprinzip. 1632 in seinem "Dialog über die zwei Hauptwelt-Systeme". Galileo verwendete das Beispiel eines Schiffes, das mit konstanter Geschwindigkeit ohne Schaukeln auf einer glatten See fährt. Jeder Beobachter, der Bewegungsexperimente unter Deck durchführt, kann nicht erkennen, ob sich das Schiff bewegt oder stationär ist.

Dies führte Galileo zu der Feststellung, dass die Gesetze der Physik in jedem System, das sich mit einer konstanten Geschwindigkeit auf einer geraden Linie bewegt, unabhängig von seiner Geschwindigkeit oder Richtung gleich sind. Daher gibt es keine absolute Bewegung und keine absolute Ruhe.

Dies war eine weitreichende und ziemlich visionäre Einsicht von Galileo, mehr als zwei Jahrhunderte vor seiner Zeit. Das Prinzip wird manchmal als "galiläische Relativitätstheorie" bezeichnet.

Sir Isaac Newton (1687)

Galileos Arbeit bildete den Grundrahmen für Sir Isaac Newtons drei Bewegungsgesetze, die in seiner monumentalen Arbeit von 1687 veröffentlicht wurden, die heute als "Principia" bekannt ist. Daher wird das Relativitätsprinzip von Galileo manchmal auch, vielleicht fälschlicherweise, als "Newtonsche Relativitätstheorie" bezeichnet. & # 39;.

Die drei Bewegungsgesetze von Newton können kurz wie folgt angegeben werden:

(i) Ein Objekt in Ruhe neigt dazu, in Ruhe zu bleiben, und ein Objekt in gleichmäßiger Bewegung neigt dazu, in gleichmäßiger Bewegung zu bleiben, es sei denn, es wird von einer äußeren Kraft beaufschlagt.

(ii) Die Beschleunigung eines Objekts ist direkt proportional zur Größe der auf es einwirkenden Kraft und umgekehrt proportional zu seiner Masse.

(iii) Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.

So bedeutsam diese Gesetze auch sind, sie sind im Vergleich zur galiläischen Relativitätstheorie in gewisser Weise rückwärts zurückgegangen. Newton erklärte seine Gesetze, um im "absoluten Raum" zu halten, was bedeutet, dass es absolute Bewegung und absolute Ruhe geben muss. Dies wurde teilweise durch die Ansicht der Zeit verursacht, dass sich Licht im leeren Raum mit konstanter Geschwindigkeit durch ein unsichtbares Medium bewegt, das als "Äther" bezeichnet wird.

Galileo glaubte nicht an absolute Bewegung, aber wie Newton glaubte er an eine universelle Zeit, die für jedes sich gleichmäßig bewegende Bezugssystem (als "Trägheitsrahmen" bezeichnet) unabhängig von seiner Geschwindigkeit gleich ist.

Albert Einstein (1905)

In Bezug auf die Weltzeit unterschied sich Einstein sowohl von Galileo als auch von Newton. In seiner bahnbrechenden Arbeit von 1905, "Über die Elektrodynamik bewegter Körper", gab er die universelle Zeit auf und postulierte, dass jeder Trägheitsrahmen seine eigene einzigartige Zeit hat.

Einstein wiederholte Galileos Relativitätsprinzip, bei dem die Gesetze der Physik in jedem Trägheitsrahmen gleich sind, unabhängig von seiner Geschwindigkeit oder Richtung. Einsteins Erkenntnis von 1905 erweiterte die Relativitätstheorie in Galiläa in einem entscheidenden Aspekt: ​​Die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum (Symbol c) ist unabhängig von ihrer Bewegung in jedem trägen Bezugssystem gleich.

Übrigens dachte Galileo auch, dass die Lichtgeschwindigkeit in jedem Trägheitsrahmen gleich ist, aber das liegt nur daran, dass er argumentierte, dass die Lichtgeschwindigkeit nahezu unendlich groß sei. Wenn Sie Einsteins Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie nehmen und die Lichtgeschwindigkeit auf unendlich einstellen, erhalten Sie das Relativitätsprinzip von Galileo. In gewisser Weise waren Galileo und Einstein in ihren Bewegungsprinzipien näher als Newton und Einstein.

Newton (wie Einstein) wusste, dass Licht eine endliche, messbare Geschwindigkeit hat. Newton war jedoch (fälschlicherweise) der Ansicht, dass die Lichtgeschwindigkeit nur im absoluten Raum konstant ist, was bedeutet, dass sie unterschiedliche Werte in Bezug auf das sich bewegende Ziel haben muss. Wenn Newton Recht gehabt hätte, wäre die Lichtgeschwindigkeit innerhalb eines sich bewegenden Trägheitsrahmens in verschiedene Richtungen unterschiedlich gewesen. Dies wurde durch Experimente ausgeschlossen.

Einstein postulierte, dass die relative Natur der Bewegung und der Zeit vorschreibt, dass alle Trägheitsrahmen die gleiche konstante Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen messen. Experimente haben diese Ansicht bestätigt. Einsteins Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie können wie folgt kurz zusammengefasst werden:

i) Es gibt keinen beobachtbaren absoluten Raum oder eine absolute Bewegung.

ii) Es gibt keine universelle Zeit. Jeder Trägheitsrahmen hat seine eigene Zeit.

iii) Die Gesetze der Physik sind in jedem Trägheitsrahmen gleich.

iv) Die gemessene Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Relativbewegung.

Diese vier Prinzipien implizieren, dass sich Zeit- und Entfernungsmessungen in verschiedenen Trägheitsrahmen unterscheiden. Wenn sich zwei Determinanten relativ zueinander bewegen, sind sie sich im Allgemeinen nicht einig über die Entfernung zwischen zwei Objekten und auch über die Zeit, die Licht benötigt, um diese Entfernung zurückzulegen. Dies ist die Essenz von Einsteins spezieller Relativitätstheorie.

Schwerkraft: Newton (1687) – Einstein (1916)

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie von 1916 erweiterte seine spezielle Theorie um die Schwerkraft und ersetzte im Wesentlichen Newtons Theorie der universellen Gravitation, wie in seiner "Principia" beschrieben. von 1687. Wenn das Gravitationsfeld schwach ist und die Geschwindigkeiten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit sehr klein sind, ist Newtons Gravitationstheorie für alle praktischen Zwecke genau genug.

Einsteins Relativitätstheorie wird nur dann zur Voraussetzung, wenn Geschwindigkeiten signifikante Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit sind und / oder die Gravitationsfelder tausendfach stärker sind als das, was wir hier auf der Erde erleben. Solche Bedingungen werden in der Nähe von Neutronensternen und Schwarzen Löchern beobachtet, aber das ist eine andere Geschichte.

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