Es wird gesagt, dass die Offenbarung sofort zu Albert Einstein kam. Der Wissenschaftler fuhr angeblich in Bern (Schweiz) mit der Straßenbahn, schaute auf die Straßenuhr und stellte plötzlich fest, dass diese Uhr anhalten würde, wenn die Straßenbahn jetzt auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte - und es keine Zeit mehr geben würde. Dies führte ihn dazu, eines der zentralen Postulate der Relativitätstheorie zu formulieren - dass verschiedene Beobachter die Realität unterschiedlich wahrnehmen, einschließlich grundlegender Größen wie Entfernung und Zeit.
Wissenschaftlich gesehen erkannte Einstein an diesem Tag, dass die Beschreibung eines physikalischen Ereignisses oder Phänomens vom Bezugsrahmen abhängt, in dem sich der Beobachter befindet (siehe Coriolis-Effekt). Wenn ein Passagier in einer Straßenbahn zum Beispiel eine Brille fallen lässt, fallen sie für sie senkrecht nach unten, und für einen Fußgänger, der auf der Straße steht, fällt die Brille in eine Parabel, während sich die Straßenbahn bewegt, während die Brille fällt. Jeder hat seinen eigenen Bezugsrahmen.
Obwohl sich die Beschreibungen von Ereignissen während des Übergangs von einem Bezugsrahmen zu einem anderen ändern, gibt es auch universelle Dinge, die unverändert bleiben. Wenn wir, anstatt den Fall einer Brille zu beschreiben, eine Frage nach dem Naturgesetz stellen, das sie fallen lässt, ist die Antwort für einen Beobachter in einem festen Koordinatensystem und für einen Beobachter in einem sich bewegenden Koordinatensystem dieselbe. Das Gesetz des verteilten Verkehrs gilt auf der Straße und in der Straßenbahn gleichermaßen. Mit anderen Worten, während die Beschreibung von Ereignissen vom Beobachter abhängt, hängen die Naturgesetze nicht von ihm ab, das heißt, wie sie in der wissenschaftlichen Sprache sagen, sie sind unveränderlich. Dies ist das Relativitätsprinzip.
Wie jede Hypothese musste das Relativitätsprinzip getestet werden, indem es mit realen Naturphänomenen korreliert wurde. Aus dem Relativitätsprinzip leitete Einstein zwei getrennte (wenn auch verwandte) Theorien ab. Die spezielle Relativitätstheorie geht von der Annahme aus, dass die Naturgesetze für alle Referenzrahmen, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, gleich sind. Die allgemeine Relativitätstheorie erweitert dieses Prinzip auf jeden Bezugsrahmen, einschließlich solcher, die sich mit Beschleunigung bewegen. Die spezielle Relativitätstheorie wurde 1905 veröffentlicht, und je komplexer der mathematische Apparat ist, desto allgemeiner wurde die allgemeine Relativitätstheorie von Einstein bis 1916 abgeschlossen.
Spezielle Relativitätstheorie
Die meisten paradoxen und widersprüchlichen intuitiven Vorstellungen über die Welt der Effekte, die entstehen, wenn man sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, werden von der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagt. Der bekannteste von ihnen ist der Effekt der Verlangsamung der Uhr oder der Effekt der Verlangsamung der Zeit. Eine Uhr, die sich relativ zum Beobachter bewegt, läuft für ihn langsamer als genau dieselbe Uhr in seinen Händen.
Die Zeit in einem Koordinatensystem, das sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird relativ zum Betrachter gestreckt, während die räumliche Ausdehnung (Länge) von Objekten entlang der Achse der Bewegungsrichtung im Gegensatz dazu komprimiert wird. Dieser als Lorentz-Fitzgerald-Kontraktion bekannte Effekt wurde 1889 vom irischen Physiker George Fitzgerald (1851-1901) beschrieben und 1892 vom Niederländer Hendrick Lorentz (1853-1928) abgeschlossen. Die Lorentz-Fitzgerald-Abkürzung erklärt, warum das Michelson-Morley-Experiment zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Erdbewegung im Weltraum durch Messung des "Ätherwinds" zu einem negativen Ergebnis führte. Später nahm Einstein diese Gleichungen in die spezielle Relativitätstheorie auf und ergänzte sie mit einer ähnlichen Transformationsformel für Masse.wonach die Masse des Körpers auch zunimmt, wenn sich die Geschwindigkeit des Körpers der Lichtgeschwindigkeit nähert. Bei einer Geschwindigkeit von 260.000 km / s (87% der Lichtgeschwindigkeit) verdoppelt sich also die Masse eines Objekts aus Sicht eines Beobachters im Ruhebezugsrahmen.
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Seit Einsteins Zeiten finden all diese Vorhersagen, egal wie sehr sie dem gesunden Menschenverstand widersprechen, eine vollständige und direkte experimentelle Bestätigung. In einem der aufschlussreichsten Experimente setzten Wissenschaftler der University of Michigan eine ultrapräzise Atomuhr an Bord eines Verkehrsflugzeugs, das regelmäßige Transatlantikflüge durchführte, und überprüften nach jedem Rückflug zum Heimatflughafen ihre Messwerte anhand der Kontrolluhr. Es stellte sich heraus, dass die Uhr im Flugzeug immer mehr hinter den Kontrolluhren zurückblieb (sozusagen in Sekundenbruchteilen). Seit einem halben Jahrhundert erforschen Wissenschaftler Elementarteilchen in riesigen Hardwarekomplexen, die als Beschleuniger bezeichnet werden. In ihnen werden Strahlen geladener subatomarer Teilchen (wie Protonen und Elektronen) auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.dann werden sie auf verschiedene nukleare Ziele abgefeuert. Bei solchen Experimenten mit Beschleunigern ist es notwendig, die Zunahme der Masse der beschleunigten Teilchen zu berücksichtigen - andernfalls eignen sich die Ergebnisse des Experiments einfach nicht für eine vernünftige Interpretation. In diesem Sinne ist die spezielle Relativitätstheorie längst von der Kategorie der hypothetischen Theorien auf das Gebiet der Werkzeuge der angewandten Technik übergegangen, wo sie auf dem Niveau der Newtonschen Gesetze der Mechanik verwendet wird.
Um auf Newtons Gesetze zurückzukommen, möchte ich betonen, dass die spezielle Relativitätstheorie, obwohl sie äußerlich den Gesetzen der klassischen Newtonschen Mechanik widerspricht, tatsächlich praktisch alle üblichen Gleichungen der Newtonschen Gesetze reproduziert, wenn sie angewendet wird, um Körper zu beschreiben, die sich mit einer Geschwindigkeit signifikant bewegen weniger als die Lichtgeschwindigkeit. Das heißt, die spezielle Relativitätstheorie hebt die Newtonsche Physik nicht auf, sondern erweitert und ergänzt sie (diese Idee wird in der Einleitung ausführlicher erörtert).
Das Relativitätsprinzip hilft auch zu verstehen, warum die Lichtgeschwindigkeit und keine andere in diesem Modell der Struktur der Welt eine so wichtige Rolle spielt - diese Frage wird von vielen gestellt, die zuerst auf die Relativitätstheorie gestoßen sind. Die Lichtgeschwindigkeit fällt auf und spielt als universelle Konstante eine besondere Rolle, da sie durch ein naturwissenschaftliches Gesetz bestimmt wird (siehe Maxwellsche Gleichungen). Aufgrund des Relativitätsprinzips ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum c in jedem Bezugsrahmen gleich. Dies widerspricht scheinbar dem gesunden Menschenverstand, da sich herausstellt, dass Licht von einer sich bewegenden Quelle (egal wie schnell es sich bewegt) und von einer stationären Quelle gleichzeitig den Betrachter erreicht. Dies ist jedoch so.
Aufgrund seiner besonderen Rolle in den Naturgesetzen ist die Lichtgeschwindigkeit von zentraler Bedeutung für die allgemeine Relativitätstheorie.
Allgemeine Relativitätstheorie
Die allgemeine Relativitätstheorie wird bereits auf alle Referenzrahmen angewendet (und nicht nur auf diejenigen, die sich relativ zueinander mit konstanter Geschwindigkeit bewegen) und sieht mathematisch viel komplizierter aus als die spezielle (was die elfjährige Lücke zwischen ihrer Veröffentlichung erklärt). Als Sonderfall enthält es die spezielle Relativitätstheorie (und damit die Newtonschen Gesetze). Darüber hinaus geht die allgemeine Relativitätstheorie viel weiter als alle ihre Vorgänger. Insbesondere bietet es eine neue Interpretation der Schwerkraft.
Die allgemeine Relativitätstheorie macht die Welt vierdimensional: Zeit wird zu den drei räumlichen Dimensionen hinzugefügt. Alle vier Dimensionen sind untrennbar miteinander verbunden, daher sprechen wir nicht mehr über die räumliche Entfernung zwischen zwei Objekten, wie dies in der dreidimensionalen Welt der Fall ist, sondern über die Raum-Zeit-Intervalle zwischen Ereignissen, die ihre Entfernung voneinander vereinen - sowohl zeitlich als auch räumlich … Das heißt, Raum und Zeit werden als vierdimensionales Raum-Zeit-Kontinuum oder einfach als Raum-Zeit betrachtet. In diesem Kontinuum können Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, sogar nicht darüber einig sein, ob zwei Ereignisse gleichzeitig stattgefunden haben - oder eines vor dem anderen. Zum Glück für unsere armen Köpfe kommt die Sache nicht zu einer Verletzung der Ursache-Wirkungs-Beziehungen - das heißt der Existenz von Koordinatensystemen,in denen zwei Ereignisse nicht gleichzeitig und in unterschiedlicher Reihenfolge auftreten, lässt selbst die allgemeine Relativitätstheorie dies nicht zu.
Das Newtonsche Gravitationsgesetz sagt uns, dass zwischen zwei Körpern im Universum eine Kraft der gegenseitigen Anziehung besteht. Unter diesem Gesichtspunkt dreht sich die Erde um die Sonne, da die Kräfte der gegenseitigen Anziehung zwischen ihnen wirken. Die allgemeine Relativitätstheorie zwingt uns jedoch, dieses Phänomen anders zu betrachten. Nach dieser Theorie ist die Schwerkraft eine Folge der Verformung ("Krümmung") des elastischen Gewebes der Raumzeit unter dem Einfluss der Masse (in diesem Fall, je schwerer ein Körper, zum Beispiel die Sonne, ist, desto stärker "biegt" sich die Raumzeit darunter und desto stärker ist dementsprechend die Schwerkraft Feld). Stellen Sie sich eine fest gespannte Leinwand vor (eine Art Trampolin) mit einem massiven Ball darauf. Die Bahn verformt sich unter dem Gewicht der Kugel und um sie herum bildet sich eine trichterförmige Vertiefung. Nach der allgemeinen RelativitätstheorieDie Erde dreht sich um die Sonne wie eine kleine Kugel, die um den Kegel eines Trichters rollt, der durch das "Erzwingen" der Raumzeit durch eine schwere Kugel - die Sonne - gebildet wird. Und was uns tatsächlich als Schwerkraft erscheint, ist in der Tat eine rein äußere Manifestation der Krümmung der Raum-Zeit und überhaupt keine Kraft im Newtonschen Verständnis. Bisher wurde keine bessere Erklärung für die Natur der Schwerkraft gefunden als die allgemeine Relativitätstheorie. Bisher wurde keine bessere Erklärung für die Natur der Schwerkraft gefunden als die allgemeine Relativitätstheorie. Bisher wurde keine bessere Erklärung für die Natur der Schwerkraft gefunden als die allgemeine Relativitätstheorie.
Es ist schwierig, die allgemeine Relativitätstheorie zu testen, da ihre Ergebnisse unter normalen Laborbedingungen fast vollständig mit den Vorhersagen des Newtonschen Gesetzes der universellen Gravitation übereinstimmen. Trotzdem wurden mehrere wichtige Experimente durchgeführt, deren Ergebnisse es ermöglichen, die Theorie als bestätigt zu betrachten. Darüber hinaus hilft die allgemeine Relativitätstheorie, die Phänomene zu erklären, die wir im Weltraum beobachten - zum Beispiel geringfügige Abweichungen von Quecksilber von einer stationären Umlaufbahn, die aus Sicht der klassischen Newtonschen Mechanik unerklärlich sind, oder die Krümmung elektromagnetischer Strahlung von entfernten Sternen, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe der Sonne befindet.
Tatsächlich unterscheiden sich die durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagten Ergebnisse deutlich von den durch die Newtonschen Gesetze vorhergesagten Ergebnissen, wenn nur superstarke Gravitationsfelder vorhanden sind. Dies bedeutet, dass für einen umfassenden Test der allgemeinen Relativitätstheorie entweder ultrapräzise Messungen sehr massereicher Objekte oder Schwarze Löcher erforderlich sind, auf die keine unserer üblichen intuitiven Ideen anwendbar ist. Die Entwicklung neuer experimenteller Methoden zum Testen der Relativitätstheorie bleibt daher eine der wichtigsten Aufgaben der experimentellen Physik.
