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Allgemeines: Eigenschaften des Lichtes
!!! Licht hat im Vakuum eine Geschwindigkeit von rund 300.000
km/h, d. h. ein Lichtstrahl würde die Erdkugel mehr als 7 mal in einer Sekunde umrunden! Die Lichtgeschwindigkeit ist von der Dichte des Mediums abhängig (in Wasser um ¾, in Glas um 2/3 langsamer).
Licht gehört zur Gruppe der ELEKTROMAGNETISCHEN WELLEN, wozu u. a. auch Radiowellen, UV-Strahlen, Infra-Rot-Strahlen etc. gehören.
Damaliges Problem: Suche nach dem Medium des Lichtes
Schallwellen benötigen zu ihrer Fortpflanzung ein Medium:
Moleküle. Der Schall breitet sich durch Molekülschwingungen aus. Im Vakuum gibt es keinen Schall.
Man folgerte daraus, daß auch die Lichtstrahlen ein Ausbreitungsmedium benötigen. Man nannte dieses Medium den "Äther" (daher: Radioprogramm im Äther...).
Der Äther müßte überall existieren, wo sich elektromagnetische Wellen ausbreiten können, auch im Vakuum, da sich Licht auch im Vakuum ausbreitet. Äther sollte im ganzen Universum und in allen Materialien in mehr oder weniger hoher Dichte vorhanden sein. Alle Planeten würden sich in diesem Äther bewegen, während der Äther stillstehend sein sollte. Das Licht müßte sich dann mit immer konstanter Geschwindigkeit im Äther bewegen.
Die Idee von Existenz des Äthers war so einleuchtend, daß sie schnell von vielen Seiten akzeptiert wurde.
Man versuchte also den Äther zu entdecken und zu beweisen. Doch alle Bemühungen hierzu hatten keinen Erfolg. Die Wissenschaft befand sich in einem frustrierendem Stadium, in einer scheinbaren Sackgasse.
An diesem Punkt kommt Albert Einstein ins Spiel. Er hatte die Forschungen zum Thema "Äther" und "Eigenschaften des Lichtes" kritisch verfolgt und zog daraus zwei wichtige Schlußfolgerungen (auch als "fundamentale Postulate" bekannt):
1. Der Äther kann nicht entdeckt werden. Jede Bewegung ist relativ.
2. Die Lichtgeschwindigkeit ist für einen Beobachter immer konstant.
Die Relativität der Bewegung leuchtet ein, weil die Messung von Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung von einem fixen Bezugspunkt abhängig ist (Beispiel: zwei Raketen im Weltraum; Von Brücke auf fließendes Wasser starren).
Im gesamten Universum gibt es keinen absoluten Fixpunkt,
der als Bezugspunkt verwendet werden könnte. So dreht sich
z. B. die Erde um ihre eigene Achse, insgesamt aber um die
Sonne, unser Sonnensystem bewegt sich innerhalb der Galaxie
und der Milchstraße etc. Man kann folglich immer nur sagen,
daß sich ein Objekt mit einer bestimmten Geschwindigkeit
und Bewegungsrichtung relativ zu diesem oder jenem
Bezugspunkt bewegt! ["Rom ist Mittelpunkt des Universums..."]
Was hat dies mit dem Äther zu tun? - Ein stillstehender
(fixer!) Äther, nach dem man suchte, würde eine absolute
Bewegung voraussetzen, wir haben jedoch gerade
festgestellt, daß es nur eine relative Bewegung gibt.
Folglich kann man den Äther nicht entdecken!
Es sollte angemerkt werden, daß Einstein an dieser Stelle die Existenz des Äthers weder bestritt, noch voraussetzte! Vielmehr ist die Existenz des Äthers für die Gültigkeit der speziellen Relativitätstheorie unerheblich.
Daß die Lichtgeschwindigkeit immer dieselbe relativ zu einem Beobachter sein sollte, ist in der Tat kaum zu glauben. Was bedeutet dies? Wenn sich ein Planet mit einer Geschwindigkeit von 100.000 km/s auf die Erde zubewegt, dann treffen dessen Lichtstrahlen nicht etwa mit 400.000 km/s auf die Erde, sondern trotzdem mit 300.000 km/s. Dies läßt sich an dieser Stelle noch nicht beweisen, doch dazu später mehr.
Man beachte, wie Einstein gemäß dem bereits zuvor erläutertem Modell des wissenschaftlichen Denkens vorging und zuerst zwei Axiome (grundlegende Behauptungen) aufstellte!
Obwohl die konstante Lichtgeschwindigkeit dem gesunden Menschenverstand zu widersprechen scheint, sprachen alle bisherigen Experimente dafür. Einstein glaubte, es handle sich dabei um ein grundlegendes Gesetz des Universums.
Die Relativitätstheorien sind nicht etwa deshalb als unverständlich bekannt, weil sie schwer nachzuvollziehen wären, sondern eher deshalb, weil man ihre Folgerungen nur schwer glauben kann! Das liegt daran, daß wir alles an unseren bisherigen Erfahrungen messen, die jedoch nur einen kleinen Teil einer Gesamtheit ausmachen (dem Universum, oder noch mehr?). Daher kommt man kaum auf die Idee, unsere Erfahrungen könnten nur ein Spezialfall von viel allgemeiner gefaßten Gesetzlichkeiten sein.
Folgerungen aus diesen Behauptungen
Wenn diese Axiome wirklich gelten, dann kann man aus ihnen
verschiedene Formeln ableiten. Um seine Theorie zu
bekräftigen und um experimentelle Bestätigungen zu
ermöglichen, entwickelte Einstein eine Reihe von Formeln. Mit Hilfe dieser Formeln konnte man jedoch auch vollkommen neue Vorhersagen ableiten, die später übrigens durch Experimente und Beobachtungen bestätigt wurden.
!!! Im Gegensatz zur Allgemeinen Relativitätstheorie gelten die
!!! nachfolgenden Formeln nur bei einer Beschleunigung von
. null, also einer konstanten Geschwindigkeit.
1. Gleichung
Die Längenverkürzung eines Objektes, das sich mit einer relativen Geschwindigkeit v zu einem anderen Objekt bewegt.
L' = L * Wurzel aus [ 1 - (v² / c²) ]
Könnte man von einem Objekt aus die aktuelle Länge des anderen Objektes messen (und umgekehrt!), würde die Länge mit zunehmender Geschwindigkeit abnehmen. Zu beachten ist, daß die Lichtgeschwindigkeit nicht überschritten werden kann, weil dann ein negativer Wert unter der Wurzel stehen würde (mathematisch nicht erlaubt).
Eigentlich verkürzt sich nicht nur die Länge des Objekts mit seiner Geschwindigkeit, sondern auch die Entfernung zu anderen Objekten, die eine andere relative Geschwindigkeit haben.
2. Gleichung
Die Massenzunahme mit der Geschwindigkeit: Ein Objekt
mit der Masse m im Stillstand wird immer schwerer, je
schneller es sich relativ zu einem anderem Objekt
bewegt. Die Massenzunahme kann jedoch nur vom
Beobachter ermittelt werden, die Messung der eigenen Masse würde keine Veränderung ergeben!
m' = m / Wurzel aus [ 1 - (v² / c²) ]
Es ist interessant, daß korpulente Menschen versuchen, durch Sport wie z. B. Laufen abzunehmen. Je schneller sie laufen, um so schwerer werden sie!
Auch diese Formel läßt den Schluß zu, daß die
Lichtgeschwindigkeit die maximal mögliche Geschwindigkeit
ist (weil die Wurzel sonst negativ würde). Man erkennt
außerdem, daß ein Objekt, welches sich mit der
Lichtgeschwindigkeit bewegt, eine unendliche Masse
besitzt (Grenzwert von Masse geteilt durch 0).
3. Gleichung
Die Addition von zwei Geschwindigkeiten (relative
Geschwindigkeit): Zwei Objekte, die sich mit einer
relativen Geschwindigkeit von v1 und v2 zu einem anderem Bezugssystem bewegen, haben im Bezug zum jeweils anderem Objekt eine Geschwindigkeit, die sich nach folgender Formel berechnet:
v = v1 + v2
-------------
1 + v1 * v2
-------
c²
Folglich ist die bisher verwendete Formel v = v1 + v2 nur eine Näherungsformel, die bei hohen Geschwindigkeiten jedoch ungenau ist (man könnte die Lichtgeschwindigkeit überschreiten!). Für geringe Geschwindigkeiten (wie sie auf der Erde üblich sind) liefert sie jedoch ausreichend genaue Ergebnisse.
4. Gleichung
Die Gleichwertigkeit von Masse und Energie: Die Energie, die in einem Objekt steckt, hängt von seiner Masse ab.
Wir wissen, daß die Masse mit der Geschwindigkeit
zunimmt. Folglich muß auch die Energie zunehmen, weil
zwei verschieden schwere Objekt bei gleicher
Geschwindigkeit auch eine verschieden hohe Energie
besitzen (potentielle oder kinetische Energie).
E = m * c²
Diese Formel besagt, wieviel Energie man maximal von einer Masse erhält, wenn man die gesamte Masse in Energie umwandeln würde. Würde dies gelingen, könnte man wenigen Tonnen Masse die ganze Erde jahrelang mit Energie versorgen! Die Atombombe ist ein trauriger Beweis dafür.
Unsere üblichen Energieerzeugungsformen geschehen durch chemische Prozesse, bei der nicht etwa die Masse in Energie umgewandelt wird, sondern nur eine Veränderung molekularen Struktur unter Abgabe von Energie erreicht wird (z. B. Verbrennung). Die Umwandlung von Masse in Energie geschieht jedoch durch sog. nukleare Prozesse.
Aus dieser Formel kann man auch schließen, daß Objekt mit irgendeiner Masse nicht einmal GENAU die Lichtgeschwindigkeit erreichen können, weil ihre Masse dann unendlich groß sein würde. Folglich müßte man für diese Beschleunigung auch unendlich viel Energie zuführen, also alle Energie des Universums plus noch mehr Energie!
5. Gleichung
Verlangsamung der Zeit: Je schneller sich ein Objekt
bewegt, um so langsamer scheint dort für einen
außenstehenden Beobachter die Zeit zu vergehen.
t' = t * Wurzel aus [ 1 - (v² / c²) ]
Die Zeit im bewegtem Objekt selbst vergeht gleich
schnell (weil die relative Geschwindigkeit zu sich
selbst immer 0 ist!).
Früher ging man davon aus, daß die Zeit für alle und überall im Universum gleich schnell abläuft, Zeit also eine unveränderliche Grundeinheit darstellt. Dies ist nicht der Fall.
Beispiel: Zwillingsparadoxon: Einer fliegt mit Rakete und kommt jünger zurück. Warum nicht Zwilling auf Erde jünger? Oder beide? -> wegen Beschleunigung (allg. RT!)
. > Raumfahrer altern immer weniger als Erdlinge
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