Die spezielle Relativitätstheorie verständlich erklärt

Bistimmt habt Ihr schon von der berühmten SRT gehört. Sie wird als die am schwersten zu verstehende Theorie eingestuft, jedoch finde ich, ist sie gar nicht so schwer, wenn man sich kurz mit ihr befasst. Ich werde versuchen, euch die SRT zu erklären.

Die SRT besteht im Wesentlichen aus zwei Schwerpunkten, der Zeitdilatation und der Längenkontraktion.

Kommen wir zum ersten Punkt, der Zeitdilatation: Im Jahr 1879 versuchten die beiden Physiker, Albert Michelson & Edward Morley die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Dabei entdeckten sie ein grundlegendes Phänomen. Damals glaubten sie noch, es gäbe einen Äther. Ein Äther ist ein Medium, dass die Lichtstrahlen in ihrer Bewegungsrichtung beeinflusst. Man dachte, je nach dem aus welcher Himmelsrichtung die Photonen auf die Erde treffen, sollte die Geschwindigkeit unterschiedlich hoch sein. Egal in welche Richtung sie ihr Gerät auch drehten, die Lichtgeschwindigkeit war gleich groß. Das widersprach aber den damaligen Erkenntnissen.

Ein und dieselbe Bewegung kann unterschiedlich schnell wahrgenommen werden. Ob eine Bewegung als schnell oder langsam eingestuft wird, hängt vom Standpunkt des Betrachters ab. Zum Beispiel sieht ein still stehender Beobachter einen Jet mit hoher Geschwindigkeit an sich vorbei fliegen. Während die Passagiere eines Flugzeuges, das parallel zum Jet fliegt, den Jet als langsam einstufen, dies resultiert aus der eigenen Bewegung des Flugzeuges. Diese Gesetzmäßigkeit hatte man auch für die Bewegung des Lichts angenommen.

So ergibt sich eigentlich für den ruhenden Beobachter eine höhere Lichtgeschwindigkeit und damit auch eine längere, zurückgelegte Strecke der Photonen in einer vorgegebenen Zeitspanne, als ein bewegter Beobachter, wie zum Beispiel die Passagiere im Flugzeug.

Wie wir aber wissen, breitet sich Licht immer mit derselben Geschwindigkeit aus, nämlich 299 792 km/s, egal ob der Beobachter mit seinem Messgerät still steht oder ob er sich bewegt. Das schien unnatürlich, noch dazu wo die Formel zur Berechnung von Geschwindigkeiten, die Geschwindigkeit c=WEG/ZEIT unbestritten blieb. Die Formel basier darauf, dass c variabel ist, während die Maßeinheit für die Weg Länge 1 Meter sich nie ändert und auch die Zeit immer gleich schnell vergeht. Eine Sekunde dauert immer eine Sekunde. Die Weg Länge, also die zurückgelegte Strecke im Raum und die Zeit galten als feste, unveränderliche Größen. Da aber aufgrund der konstanten Lichtgeschwindigkeit c immer gleich ist, müssen Raum und Zeit variabel sein.

Jede periodische Abfolge kann eine Uhr sein. Ein Photon das sich zwischen zwei Spiegeln hin und her bewegt, stellt ebenfalls eine Uhr da. Es verhält sich wie das Pendel einer Uhr. Da es sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, geht diese Uhr sehr genau. So genau das sie Astronomen zum Messen der Entfernung Erde Mond verwenden. Sie schießen von der Erde aus Laserlicht zum Mond, welches dann reflektiert wird. Das Licht braucht exakt 1,3 Sekunden in jede Richtung.

Was würde ein Raumfahrer in seinem Raumschiff der an Erde und Mond vorbeifliegt beobachten? Für ihn bewegt sich das Licht nicht auf und ab, sondern im Zick-Zack Kurs, daraus ergibt sich eine längere Wegstrecke als die für den Astronomen auf der Erde. Vergleicht man die beiden Strecken, zeigt sich ein deutlicher Unterschied. Für den unbewegten Beobachter auf der Erde ist der Weg kürzer, für den vorbei fliegenden Beobachter im Raumschiff länger. Und da das Licht nur eine einzige Geschwindigkeit kennt, kann es den Unterschied nicht ausgleichen. Für den längeren Weg benötigt es daher mehr Zeit. Das bedeutet, für den Astronauten fliegt das Photon zwischen Erde und Mond länger hin und her. In seinen Augen schlägt das Lichtpendel langsamer. Man kann sagen, vom Raumschiff aus gesehen läuft die Zeit zwischen Erde und Mond langsamer als die Zeit an Board.

Wenn ich mich als Beobachter relativ zu einem anderen Bezugssystem bewege, dann messe ich innerhalb des beobachteten Systems eine Verlangsamung der Zeit. Das war eine epochale Entdeckung. Einfach formuliert lautet die Schlussfolgerung daraus: bewegte Uhren gehen langsamer als in ihrem Ruhesystem. Das bedeutet die Zeit dehnt sich. Das ist der erste Grundsatz der Relativitätstheorie und man nennt es Zeitdilatation.

Kommen wir nun zum zweiten Punkt, die Längenkontraktion: Die Sonne strahlt ihre Lichtstrahlen in alle Richtungen gleichzeitig ab. Wenn die Strahlen der Sonne die Erdlaufbahn (die Erde) berühren, werden sie zurück zur Sonne reflektiert und treffen alle wieder gleichzeitig im Zentrum ein. Das beobachtet ein unbewegter Beobachter innerhalb des Ruhesystems der Sonne.

Ein Beobachter, der sich außerhalb des Ruhesystems aufhält, sieht etwas anderes. Das Sonnensystem steht nicht still an einem Ort im Kosmos, sondern rast mit etwa 900 000 km pro Stunde durch die Milchstraße. Sieht jetzt der Beobachter das System an sich vorbeiziehen, dann beobachtet er, dass die Strahlen (Photonen) gleichzeitig von der Sonne in alle Richtungen abgestrahlt werden, jedoch nicht mehr wieder synchron im Zentrum eintreffen. Es besteht nun ein Unterschied zwischen den senkrechten und den waagerechten Photonen. Die waagerechten Photonen bewegen sich wie auf einer waagerechten geraden Linie. Die senkrechten Photonen bewegen sich im Zick-Zack Kurs. Aus dem Zick-Zack Kurs resultiert natürlich ein längerer Weg als im ruhe System und auch die Zeit verläuft langsamer. Die waagerechten Photonen brauchen aber sogar noch mehr Zeit, daher muss auch ihr weg noch länger sein. Vergleicht man die beiden zurückgelegten Strecken zeigt sich, dass der Weg der waagerechten Photonen länger ist als der der senkrechten Photonen.

Das klingt seltsam? Beide Beobachter, der ruhende der sich innerhalb des Sonnensystems befindet, wie der bewegte außerhalb, betrachten ja ein und dasselbe Ereignis.

Das Problem lässt sich folgendermaßen lösen. Damit alle Photonen gleichzeitig im Zentrum eintreffen, muss sich der Weg der waagerechten verkürzen. Dazu verformt sich der Kreis und schrumpft zur Ellipse. So gleichen sich die unterschiedlich langen Wege aneinander an und alle Photonen treffen wieder gleichzeitig im Zentrum ein. Auf diese Weise kam Einstein zu der Erkenntnis, dass ein Objekt das sich bewegt schrumpft. In unserem Experiment ist es das Sonnensystem. Es verkürzt sich in Bewegungsrichtung. Aus diesem Resultat, leitete Einstein seinen zweiten Grundsatz ab: [u]bewegte Objekte schrumpfen/u], man nennt es die Längenkontraktion.

Sollten Unklarheiten oder Fragen auftauchen, würde ich mich sehr darüber freuen wenn ihr sie hier im Forum stellt, ich werde versuchen sie bestmöglich zu beantworten.