Die spezielle Relativitätstheorie

Geschichtliche EntwicklungKolumbus - Kopernikus

Die Erde ist eine Kugel, die um sich selbst rotiert und um die Sonne kreist.Sinnlose Behauptung für die damaligen Denker, denn:

Geschichtliche Entwicklung100 Jahre später Galilei

Wenn sich jemand in einem Kasten befindet, der sich gleichmäßig fortbewegt (ohne zu rucken und ohne seine konstante Geschwindigkeit zu ändern) kann nicht feststellen, ob er sich fortbewegt oder ob er in Ruhelage ist.

Z.B.:Man könnte sonst im Flugzeug keinen Kaffee einschenken, da man 20 m entfernt stehen müsste, damit der Kaffee im Bogen in die Tasse gelangt (bei dieser Geschwindigkeit).

Geschichtliche EntwicklungGalilei behauptete:Selbst wenn im Kasten ein Loch wäre und man einen sich nähernden Kasten sieht, kann man nicht sagen, ob der eigene Kasten sich bewegt oder der andere. (Sehr oft zu beobachten wenn man in einem Bahnhof in einem Zug sitzt und der eigene Zug oder ein anderer am anderen Geleise fährt langsam an.)Da die Objekte im Weltraum aus vielen Teilchen bestehen, die in die unterschiedlichsten Richtungen fliegen, weiß man nicht, wer ist in Ruhe und wer bewegt sich. Man sucht einen Ruhepunkt, den es aber nicht gibt. Darum muss man sagen: Das Objekt bewegt sich relativ zu einem anderen Objekt.Hiermit wäre die Angelegenheit erledigt gewesen, wenn nicht folgendes zur selben Zeit passiert wäre:

Geschichtliche EntwicklungZur selben Zeit machte der Maler Franziscus Grimaldi eine Entdeckung:

Am Rand und sogar im Inneren des Schattens bilden sich mehrere Ringe oder Hell-dunkel-Zonen. Das bedeutet, dass das Licht eine Welle ist und keine Teilchenstrahlung.

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Es gibt keine Wasserwelle ohne Wasser und keine Schallwelle im Vakuum.

Auch das Licht muss ein Medium haben, über das es sich ausbreiten kann.

Der leere Weltraum zwischen Erde und Sonne muss mit etwas erfüllt sein. Dieses „Etwas“ nannte man Äther.

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Die Suche nach dem Äther beginnt:

1)Wie schnell bewegt sich das Licht durch den Äther ?

2)Mit welcher Geschwindigkeit bewegt sich die Erde relativ zum Äther ?

3)Aus welchem Material ist der Äther aufgebaut ?

Geschichtliche EntwicklungMan weiß durch Olaf Römer seit 1675, dass sich Licht im luftleeren Raum mit ca. 300 000km/s ausbreitet. Er beobachtete, dass die Mondaufgänge der Jupitermonde vom Stand der Erde zum Jupiter abhängen. (Der Durchmesser der Erdumlaufbahn um die Sonne beträgt 300 000 000 km, der Unterschied des Mondaufganges im halben Jahr betrug 1000s

Jupitermond

Jupiter

Erde Sommer Erde Winter Sonne

300 000 000 km----1000s

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Genauere Berechnungen hat man mit einem Motor gemacht: Durch die Umdrehungszahl, die kein Licht mehr durchließ, konnte man die Lichtgeschwindigkeit genau bestimmen.

Geschichtliche EntwicklungDie Frage nach der relativen Geschwindigkeit der Erde zum Äther versuchten Michelson und Morley zu lösen.

Michelson Morley

Beispiel mit einem ferngesteuerten Flugzeug, Geschwindigkeit des Flugzeuges 10km/h

2:16=0,125h 2:8=0,2h2: 4=0,5 h 2:8=0,2h 0,625h* 60 0,4h*60 37,500 min 30,0 min

4km/h

16km/h8km/h

8km/h

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Die Überlegungen mit dem Flugzeug wurden übertragen auf die Erde und der Wind war der Äther.

Geschichtliche EntwicklungTatsächlich sah das Experiment so aus:Die Messvorrichtung schwamm in einer Gusseisenwanne, die mit Quecksilber gefüllt war, um Erschütterungen zu vermeiden

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Sie erwarteten dieses Muster, das bei einer leichten Phasenverschiebung auftritt. Manchmal kommt es dabei zu einer Verstärkung manchmal zu einer Auslöschung.

2 phasengleiche Lichtwellen verstärken einander.

2 phasenverschobene Lichtquellen heben einander auf.

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Es wurde nicht nur das Licht von der Erde aus gemessen, sondern auch das Sternenlicht:

Immer dasselbe Ergebnis: 300 000km/sDas bedeutete:

Es gibt keinen Äther

Geschichtliche EntwicklungDiese Feststellung ergab unsinnige Aussagen:Wenn ich mit einer Rolltreppe fahre, die sich mit Lichtgeschwindigkeit nach oben bewegt, ist es egal, ob ich nach oben gehe, oder stehen bleibe oder gegen die Laufrichtung gehe (egal mit welcher Geschwindigkeit), ich komme immer zur selben Zeit oben an.

Nach diesem Messergebnis 1881 wurde das Experiment verworfen. Erst 1895 wurde es wiederholt, mit demselben Ergebnis.

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Geschichtliche EntwicklungWie wirken sich diese beiden unumstößlichen durch Experimente belegten Erkenntnisse aus ?

1 Rakete ohne relative Bewegung zum Beobachter

1 Rakete mit relativer Bewegung zum Beobachter

3 Raketen ohne relativer Bewegung zum Beobachter

3 Raketen mit relativer Bewegung zum Beobachter

Geschichtliche EntwicklungDie Raumschiffe bewegen sich nach links von einem Betrachter aus gesehen. Das mittlere Raumschiff gibt über ein Lichtsignal die Beschleunigungsfase für die beiden äußeren Raumschiffe bekannt.

Das letzte Raumschiff erhält das Signal zuerst und beschleunigt.

Das vordere Raumschiff hat das Signal noch nicht erhalten und wartet. Inzwischen kommen die anderen schon verdammt nahe.

So sieht es nur der Betrachter.

Würde dieses Manöver öfters wiederholt werden, so würden die hinteren Raumschiffe mit dem vorderen kollidieren. Was aber nicht sein kann, da vom mittleren aus gesehen beide gleich weit entfernt sein müssten.

Die Ereignisse hinten sehe ich als relativ bewegter Beobachter früher !!!

Geschichtliche EntwicklungWas ist die Schlussfolgerung?

Vom außenstehenden Betrachter muss sich der Raum verkürzen, damit das hintere Raumschiff nicht mit seiner Spitze in die Düse des vorderen Raumschiffes hineinfliegt.

In Ruhe oder vom mittleren Raumschiff aus gesehen

Vom außenstehenden Betrachter in Bewegung gesehen

Beispiele

Das Raumschiffe landet mit extrem hoher Geschwindigkeit.

Beobachter PilotBeide Landeklappen gleichzeitig

Beide Landeklappen gleichzeitigRaumschiff waagrecht

Raumschiff waagrechtVerkürzter Schiffsrumpf Verkürzte Landebahn

Beispiele

Das Raumschiffe landet mit extrem hoher Geschwindigkeit.

Beobachter PilotHintere früher Beide Landeklappen gleichzeitigBeide Landeklappen gleichzeitig Vordere früherRaumschiff waagrecht Nach vorne geneigtNach hinten geneigt Raumschiff waagrechtVerkürzter Schiffsrumpf Verkürzte Landebahn

BeispieleEin Stern ist genau über uns und sendet Lichtimpulse aus.

Wenn wir mit dem Raumschiff die Landebahn entlang sausen, in welcher zeitlichen Abfolgen werden die Lichtimpulse Bug und Heck treffen und wie steht der Stern über dem Raumschiff (jeweils für Piloten und für Beobachter) ?

Beobachter PilotGleichzeitig Zuerst Bug

Genau darüber Leicht voraus

Beispiele

Eine würfelförmige Schachtel fällt genauso schnell wie ein schnell laufendes Förderband auf das Förderband. Welche Form wird die Schachtel für fremde Beobachter auf dem Förderband haben ?

Nach den Beobachtungen des Fremden bewegt sich die Schachtel unter einem Winkel von 45°. Sie wird nur in der Bewegungsrichtung verkürzt.

Beispiele

Ein Stempel wird blitzschnell auf eine sich schnell drehende Papierrolle gestempelt. Ein Fremder, der sich auf der Papierrolle befindet beobachtet das H:

a) H

b) H

c) H

C) ist richtig, da bei hoher Geschwindigkeit der Stempel verkürzt ist und dabei ein ganz normales H hat. Das heißt, der Beobachter sieht dann das H gedehnt, weil es am Papier nicht mehr verkürzt ist. Weiters treffen die Teile des Stempels nicht gleichzeitig das Papier.

Beispiele

So sieht man in einer Simulation einen mit hoher Geschwindigkeit vorbeifahrenden Körper.

Russel versuchte diese Situation für Normalbürger mit folgendem Beispiel zu erklären: Berührt eine Mücke die Oberfläche eines ruhigen Teiches, so erzeugt sie Wellen, die in wachsenden Kreisen nach außen laufen. Der Mittelpunkt des Kreises ist in in jedem Moment der Punkt des Teiches, den die Mücke berührt hat.

1)Wären die Wellen Lichtwellen, bleibt die Mücke bei jeder Bewegung im Mittelpunkt des Kreises, von ihr aus gesehen.

2)Vom Betrachter des Ufers aus gesehen, fliegt die Mücke aber weiter. Zentrum des Kreises ist der Berührungspunkt, nicht die Mücke.

3)Eine zweite Mücke, die diesen Punkt zur selben Zeit berührt hätte, wäre ebenfalls, egal wo sie hinfliegt, im Berührungspunkt von ihr aus gesehen, die zweite Mücke würde sich aber ständig von ihr entfernen.

Seine Überlegung:

Mücke

Mücke

BeispieleWenn sich das Raumschiff mit extrem hoher Geschwindigkeit fortbewegt, scheint alles Sternenlicht nur noch von vorne zukommen, während der rückwärtige Teil das Himmels immer weniger Sterne zeigt. Analog zum Radfahren im Regen.