Ongerscheide zwesche Versione vun dä Sigg „Relativitätstheorie“

 

 

 

De Relativitätstheorie hät et Verständnis fun Roum un Zick revolutioneet un merkwürdije Saache oppjedeck, di mansh eijne sich bildlich net mieh vürstelle kann. All di Saache lohsse sich äwer mattematisch nohräschne, un mer kann se experimentell enzwesche janz jenau nohwiese. En dä zweij Theorieë eß, als enne Jrenzfall, ihre Vürjänger, de [[newtonsche Physik|Füsik fum Newton]], dren enthalde, un se erfölle dohmet et sujenannte [[Korrespondenzprinzip]].

== De shpezjelle Rellativitätsthejori ==

 

 

Die zweij foljende Fessstellunge ka_me als [[Axijom|unveränderbare Jrondsätz]] vun d'r Relativitätstheorie opfasse, uss dä me alles söns russleite kann:

 

 

* Messe verschiedene Beobachter die [[Jeschwindigkeijt]] vun_e_nem Leeschstrahl relativ zo ihrem Standplatz, su koumme se unaffhängisch vun ihrem eijgene Bewäjungszostand zom selewe Erjebnis. Dat sujenannte ''Prinzip vun dä unveränderbare Jlichheijt vun d'r [[Leeschjeschwindigkeijt]]'' is met unsere normalen Oppfassung vun Raum un Zick net ze erkläre, sondern kütt unß wi e [[Parradox]] für.

 

 

 

 

En_e_nem Süstem met d'r Mass ''m'' läss sich och em unbewäscchte Zostand en [[Energie]] ''E'' zoordne, un zwar noh dä Formel:

</math>'''</center>

 

 

Off witt behaupp, dat me die Formel zor Entwicklung vun d’r Atomboumpp jebruch hätt. Datt stimp äwer net, weijl se beij dä Veröffentlichung vun dä Formel in d’r Atomphysik at vell wigger geforsch hatte. Allerdings kounnt me späder met dä Formel öwer ne andere Rechenwääsch die Erjebnisse vun d’r Atomphysik öwerpröfe.

 

 

Raum un Zick erschingen en de Jrundjleischung vun dä Relativitätstheorie zom jrüzte Deel jlischwertich nevenander un loossen sech doher zo ener vierdimensionale [[Raumzick]] vereinije.

 

=== Den Leesch sing Jeschwindishkëijt als_en Jrenz ===

Dieser Umstand ist eine Folge der Struktur von Raum und Zeit und keine Eigenschaft des Objekts, wie beispielsweise eines lediglich unvollkommenen [[Raumschiff]]es. Könnte sich ein Objekt mit [[Überlichtgeschwindigkeit]] von A nach B bewegen, so könnte man immer Beobachter finden, die eine Bewegung von B nach A wahrnehmen würden, wiederum ohne dass die Frage, wer die Situation korrekt beschreibt, einen Sinn gäbe. Das [[Kausalität]]sprinzip wäre dann verletzt, da die Reihenfolge von Ursache und Wirkung nicht mehr definiert wäre. <!-- Das ist sie in gewissem Umfang und Bereichen auch im Rahmen der beiden Relativitätsheorien. --> Ein solches Objekt würde sich übrigens für jeden Beobachter mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen.

 

 

 

Das Relativitätsprinzip an sich ist wenig spektakulär, denn es gilt auch für die newtonsche Mechanik. Es widersprach vor den Entdeckungen Einsteins jedoch den Gesetzen der [[Elektrodynamik]] und man neigte dazu, es aufzugeben. Durch die Aufgabe der konventionellen Vorstellungen von Raum und Zeit gelang es Einstein, den Widerspruch aufzulösen. Nicht zufällig waren es Experimente und Überlegungen zur Elektrodynamik, die zur Entdeckung der Relativitätstheorie führten. So lautete der unscheinbare Titel der einsteinschen Publikation von 1905 ''„Zur Elektrodynamik bewegter Körper“'', der nicht gerade einen Umsturz der bis dahin gültigen Vorstellungen von Raum und Zeit erwarten ließ.

 

 

Die Existenz [[Magnetismus|magnetischer]] Kräfte ist untrennbar mit der Relativitätstheorie verknüpft. Eine isolierte Existenz des [[Coulombsches Gesetz|coulombschen Gesetzes]] für elektrische Kräfte wäre nicht mit der Struktur von Raum und Zeit verträglich. So sieht ein Beobachter, der relativ zu einem System [[Elektrostatik|statischer elektrischer Ladungen]] ruht, kein Magnetfeld, anders als ein Beobachter, der sich relativ zu ihm bewegt. Übersetzt man die Beobachtungen des ruhenden Beobachters über eine [[Lorentz-Transformation]] in die des bewegten, so stellt sich heraus, dass dieser neben der elektrischen Kraft eine weitere wahrnimmt, die sich hinsichtlich ihrer mathematischen Struktur völlig mit den bekannten Gesetzen für Magnetfelder deckt. Die Existenz des [[Magnetfeld]]es in diesem Beispiel lässt sich daher auf die Struktur von Raum und Zeit zurückführen. Unter diesem Gesichtspunkt wirkt auch die im Vergleich zum Coulombgesetz komplizierte und auf den ersten Blick wenig plausible Struktur des vergleichbaren [[Biot-Savartsches Gesetz|Biot-Savartschen Gesetzes]] für Magnetfelder weniger verwunderlich. Im mathematischen Formalismus der Relativitätstheorie werden das elektrische und das magnetische Feld zu einer Einheit, dem vierdimensionalen [[elektromagnetischer Feldstärketensor|elektromagnetischen Feldstärketensor]], zusammengefasst, ganz analog zur Vereinigung von Raum und Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit.

== Die allgemeine Relativitätstheorie ==

 

 

Die allgemeine Relativitätstheorie führt die Gravitation auf ein geometrisches Phänomen in einer gekrümmten Raumzeit zurück, indem sie feststellt:

Da der geodätische Weg durch die Raumzeit von ihrer Geometrie und nicht von der Masse des fallenden Körpers abhängt, fallen alle Körper im Gravitationsfeld gleich schnell, wie bereits [[Galileo Galilei|Galilei]] feststellte. Dieser Umstand wird in der [[Newtonsche Mechanik|newtonschen Mechanik]] durch die [[Äquivalenz]] von [[Träge Masse|träger]] und [[Schwere Masse|schwerer Masse]] beschrieben, die auch der allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegt.

 

 

In der allgemeinen Relativitätstheorie hängt der Gang von Uhren nicht nur von ihrer relativen Geschwindigkeit ab, sondern auch von ihrem Ort im [[Gravitationsfeld]]. Eine Uhr auf einem Berg geht schneller als eine im Tal. Dieser Effekt ist zwar im irdischen Gravitationsfeld nur gering, er wird jedoch beim [[Global Positioning System|GPS-Navigationssystem]] zur Vermeidung von Fehlern bei der Positionsbestimmung über eine entsprechende [[Frequenz]]<nowiki></nowiki>korrektur der [[Funktechnik|Funksignale]] berücksichtigt.

 

 

Während die spezielle Relativitätstheorie auch mit relativ geringen mathematischen Kenntnissen nachvollziehbar ist, ist die allgemeine Relativitätstheorie deutlich anspruchsvoller. Die Beschreibung einer krummen Raumzeit erfolgt mit den Methoden der [[Differentialgeometrie]], die die [[euklidische Geometrie]] des uns vertrauten flachen Raumes ablöst. Die Entstehung der Krümmung wird durch die [[Einsteinsche Feldgleichungen|einsteinschen Feldgleichungen]] beschrieben. Dabei handelt es sich um [[Differentialgleichung]]en eines [[Tensorfeld]]es mit zehn Komponenten, die nur in speziellen Fällen analytisch, das heißt in Form einer mathematischen Gleichung, lösbar sind.

 

 

Während die spezielle Relativitätstheorie bei Anwesenheit von Massen nur in Gebieten der Raumzeit gilt, die so klein sind, dass die Krümmung vernachlässigt werden kann, kommt die allgemeine Relativitätstheorie ohne diese Einschränkung aus. Sie kann somit auch auf das [[Universum]] als Ganzes angewandt werden und spielt daher in der [[Kosmologie]] eine zentrale Rolle. So wird die [[Expansion]] des Weltalls, die die Astronomen beobachten, durch die [[Alexander Friedmann|friedmannschen]] [[Friedmanngleichungen|Lösungen]] der einsteinschen Feldgleichungen in Kombination mit einer sogenannten [[kosmologische Konstante|kosmologischen Konstanten]] angemessen beschrieben. Danach begann diese Expansion mit dem [[Urknall]], der nach den jüngsten Untersuchungen vor 13,7 Milliarden Jahren stattgefunden hat, und der auch als der Beginn von Raum und Zeit angesehen werden kann. Dabei war das gesamte Universum auf einem Raumgebiet vom Durchmesser der [[Planck-Länge]] konzentriert.

 

 

Eine weitere Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie sind [[schwarzes Loch|Schwarze Löcher]]. Einstein konnte sich mit diesem Gedanken nicht anfreunden, und meinte, es müsse einen Mechanismus geben, der die Entstehung solcher Objekte verhindert. Heutige Beobachtungen legen aber nahe, dass es solche Schwarzen Löcher im Universum tatsächlich gibt und zwar als Endstadium der Sternentwicklung bei sehr massereichen [[Stern]]en und in den Zentren nahezu aller [[Galaxis|Galaxien]].

 

 

Schließlich folgt aus der allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von [[Gravitationswellen]], lokalen Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie sollten bei der Beschleunigung von Massen entstehen. Diese Deformationen sind jedoch dermaßen klein, dass sie sich bis heute einem direkten Nachweis entzogen haben. Die [[Supernova 1987A|Supernovaexplosion]] im Jahre [[1987]] in unserer Nachbarschaft sollte Gravitationswellen erzeugt haben, die nachweisbar gewesen wären. Diese Jahrhundertchance wurde jedoch verpasst, da mangels Absprache sämtliche Gravitationswellendetektoren weltweit in den entscheidenden Sekunden zu Wartungszwecken abgeschaltet waren. Immerhin konnte aus Beobachtungen an [[Doppelstern]]systemen mit [[Pulsar]]en die Existenz von Gravitationswellen indirekt bestätigt werden.

Mit seinen 1865 veröffentlichten [[maxwellsche Gleichungen|Feldgleichungen]] hatte [[James Clerk Maxwell]] eine geschlossene Theorie von [[Elektrizität]], [[Magnetismus]] und [[Optik]] vorgelegt, die in den folgenden Jahrzehnten experimentell glänzend bestätigt wurde. Beim Wechsel in ein bewegtes Koordinatensystem änderten die maxwellschen Gleichungen jedoch ihre mathematische Gestalt. Das war ein klarer Verstoß gegen das galileische Relativitätsprinzip und warf die Frage auf, warum Experimente zur Überprüfung der maxwellschen Theorie nicht durch die Eigenbewegung der Erde beeinträchtigt wurden.

 

 

Maxwell stellte sich elektromagnetische Wellen als an ein stoffliches Medium gebunden vor. Man bezeichnete dieses Medium als "den [[Äther (Physik)|Äther]]". Als die Verletzung des Relativitätsprinzips bemerkt wurde, schloss man, dass auf der bewegten Erde eine Art Gegenwind, den man Ätherwind nannte, nachweisbar sein müsse. Alle Versuche zum experimentellen Nachweis des Ätherwindes scheiterten jedoch; Michelson und Morley konnten 1887 [[Interferometer|interferometrisch]] nachweisen, dass die Geschwindigkeit der Erde relativ zum Äther keinesfalls größer als ein Viertel der Bahngeschwindigkeit der Erde sein kann. Doch erst um das Jahr 1900 sprachen namhafte Physiker, darunter [[Paul Drude]] und [[Henri Poincaré]], ihre Zweifel an der Existenz des Äthers aus.

=== Albert Einstein ===

 

[[Albert Einstein]] schloss [[1900]] sein Physikstudium mit eher mittelmäßigem Erfolg ab und reichte 1905 seine Doktorarbeit ein. In dieser Zeit verdiente er seinen Lebensunterhalt als Angestellter im [[Patentamt]] von [[Bern]], was nicht gerade eine größere Karriere erwarten ließ. In seiner freien Zeit arbeitete er jedoch intensiv an bahnbrechenden theoretischen Ideen und publizierte 1905 vier Arbeiten, von denen jede einzelne seinen Ruhm als großer Physiker hätte begründen können. In einer davon formulierte er das, was wir heute die spezielle Relativitätstheorie nennen. Diese Publikationen brachten ihm Rufe als Hochschullehrer nach Prag und bald darauf nach Zürich ein.

 

Für die Relativitätstheorie, eine der bedeutendsten Entdeckungen überhaupt, ist erstaunlicherweise kein [[Nobelpreis]] verliehen worden. Gegen eine Auszeichnung Einsteins sprach aus Sicht der Schwedischen Akademie, dass die mathematische Struktur der speziellen Relativitätstheorie von anderen ausgearbeitet worden war; eine gemeinsame Ehrung war nach dem Tod [[Henri Poincaré|Poincarés]] (1912) nicht mehr möglich. Hintergründig bestand allerdings wohl auch die Befürchtung, diese abstrakte Theorie - die zu dieser Zeit kaum experimentell gestützt war - könnte letztlich falsch sein. Die Vergabe des Nobelpreises an eine falsche Theorie wäre eine Blamage für das Komitee gewesen. Als Notlösung erhielt Einstein den [[Nobelpreis]] des Jahres [[1921]] für seine Arbeit zum [[Photoeffekt]] aus dem Jahr 1905, die einen wichtigen Schritt in der Entwicklung der Quantentheorie darstellte. Dennoch sprach Einstein in seiner Rede bei den Feierlichkeiten zur Preisverleihung über die Relativitätstheorie.

 

Nach der Erklärung der Gravitation als geometrisches Phänomen lag es nahe, auch die anderen damals bekannten [[Grundkräfte der Physik|Grundkräfte]], die elektrische und die magnetische, auf geometrische Effekte zurückzuführen. [[Theodor Kaluza]] ([[1921]]) und [[Oskar Klein]] ([[1926]]) nahmen dazu eine zusätzliche in sich geschlossene Dimension des Raumes mit subatomarer Länge an, derart dass sie uns verborgen bleibt. Sie blieben jedoch mit ihrer Theorie erfolglos. Auch Einstein arbeitete lange vergeblich daran, eine solche [[einheitliche Feldtheorie]] zu schaffen.

 

 

== Experimentelle Bestätigungen ==

[[Kritik an der Relativitätstheorie]] speiste sich aus verschiedenen Quellen, wie Unverständnis, Ablehnung der fortschreitenden Mathematisierung der Physik und Ressentiments gegen Einsteins jüdische Abstammung. Ab den 1920er Jahren versuchten einige wenige offen antisemitische Physiker, namentlich die Nobelpreisträger [[Philipp Lenard]] und [[Johannes Stark]], der Relativitätstheorie eine ''[[deutsche Physik]]'' entgegenzusetzen. Wenige Jahre nach der [[Nationalsozialismus|nationalsozialistischen]] Machtergreifung ging Stark mit einem Artikel in der SS-Zeitung ''[[Das Schwarze Korps]]'' vom 15. Juli 1937 gegen die im Land verbliebenen Anhänger der Relativitäts- und Quantentheorie in die Offensive. Unter anderem denunzierte er [[Werner Heisenberg]] und [[Max Planck]] als ''weiße Juden''. Heisenberg wandte sich direkt an [[Heinrich Himmler|Himmler]] und erreichte seine volle Rehabilitierung; nicht zuletzt mit Blick auf die Bedürfnisse der Rüstungsentwicklung blieb die Relativitätstheorie erlaubt.

 

 

Raum un Zick spillen en Schlösselroll en d'r [[Erkenntnistheorie]] vum [[Immanuel Kant]]. Dat läss vermute, dat die Relativitätstheorie met ihre Ußßsare öwer Raum un Zick och philosophischet enthält.

* Albert Einstein/[[Leopold Infeld]]: ''Die Evolution der Physik''. 1950, auch als Taschenbuch: Reinbek, Rowohlt 1987 ISBN 3-499-18342-0

* Albert Einstein: ''Grundzüge der Relativitätstheorie''. 6. A. Springer, Berlin u.a. 2002 ISBN 3-540-43512-3 (Originaltitel: ''Meaning of relativity'')

* Julian Schwinger: ''Einsteins Erbe. Die Einheit von Raum und Zeit''. Spektrum, Heidelberg u.a. 2000 ISBN 3-8274-1045-2 (leicht verständliche Einführung für Laien)

* David Bodanis: ''Bis Einstein kam. Die abenteuerliche Suche nach dem Geheimnis der Welt''. Fischer, Frankfurt am Main 2003 ISBN 3-596-15399-9 (leicht verständliche Einführung zum Verständnis der Relativitätstheorie und der vorher geläufigen Lehrmeinungen, erläutert z. B. in eigenen Kapiteln ausführlich ''E'', ''m'', ''c²'' und sogar das Gleichheitszeichen)

* Holger Müller, Achim Peters: ''Einsteins Theorie auf dem optischen Prüfstand: Spezielle Relativitätstheorie''. Physik in unserer Zeit 35(2), S. 70 – 75 (2004), {{ISSN|0031-9252}}

* Goenner, Hubert: ''Spezielle Relativitätstheorie und die klassische Feldtheorie'', Elsevier - Spektrum Akademischer Verlag 2004, ISBN 3-8274-1434-2

* Gerald Kahan: "Einsteins Relativitätstheorie - zum leichten Verständnis für jedermann", Dumont, ISBN 3-7701-1852-9

 

== Wäbsigge ==

{{commons|Category:Theory of relativity}}

* [http://www.caiuszip.com/relativiting.htm General Relativity - How to explain Einstein's theory?]

 

{{Wikibooks|Einsteins Welt|Einsteins Welt – Die Welt der Speziellen Relativitätstheorie}}

{{Wikibooks|Spezielle Relativitätstheorie: Inhalt|Spezielle Relativitätstheorie I-V}}

=== Videos ===

 

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{{Link FA|de}}

[[km:ទ្រឹស្ដីរ៉ឺឡាទីវីតេ]]

[[kn:ಸಾಪೇಕ್ಷತ ಸಿದ್ಧಾಂತ]]

[[lt:Reliatyvumo teorija]]

[[lv:Relativitātes teorija]]