Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

15 20.1 Relativitätsprinzip und Konstanz der Lichtgeschwindigkeit A1 Beschreibe den Versuch von Michelson und Mor- ley! Interpretiere das Versuchsergebnis! Einstein stellt an den Beginn seiner Relativitätstheorie zwei Prinzipen: Relativitätsprinzip und Prinzip von der Konstanz der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Abb. 15.1 Eisenbahnwag- gon und Wiese sind Inertial- systeme, da in beiden Fällen der Trägheitssatz gilt. In einem ruhig laufenden, unbeschleunigten Eisen- bahnwaggon laufen Expe- rimente nach den gleichen Gesetzen ab wie in einem ruhenden System. Beobachter sehen in beiden Systemen den gleichen Versuchsablauf. In beiden Syste- men nehmen die Naturgesetze dieselbe mathematische Form an. Die verschiedenen Inertialsysteme sind gleichberechtigt. A2 Suche weitere Beispiele für die Unbeobachtbar- keit einer absoluten Ruhe oder einer gleichförmigen Bewegung! Einstein schreibt: „Beispiele ähnlicher Art, sowie die misslungenen Versuche, eine Bewegung der Erde relativ zum ,Lichtmedium‘ zu konstatieren, führen zu der Ver- mutung, dass dem Begriffe der absoluten Ruhe nicht nur in der Mechanik, sondern auch in der Elektrodynamik keine Eigenschaften der Erscheinungen entsprechen“ (Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik 17, 1905) Dieser lapidar anmutende Satz stellte die gesamte klassische Physik auf den Kopf, da in der klassischen Physik das Relativitätsprinzip zugunsten des absolu- ten Raumes aufgegeben worden war, um den Elekt- romagnetismus imRahmen einer Äthertheoriemit der klassischen Mechanik zu verbinden. In der klassischen Physik nimmt die Vakuumlichtgeschwindigkeit nur in einem System, das im absoluten Raum ruht, den Wert c 0 an. Der absolute Raum ist dadurch gegenüber allen bewegten Bezugssystemen ausgezeichnet, und das Relativitätsprinzip ist daher verletzt. Albert Einstein verzichtete in seiner speziellen Relati- vitätstheorie auf den Begriff des absoluten Raums und damit auf den Äther. Er zeigte, dass bei einer Aufrecht- erhaltung des Relativitätsprinzips die Newton´sche Mechanik korrigiert werden muss, weil sich die Auf- fassungen über Raum und Zeit innerhalb der Relati- vitätstheorie von unseren Alltagserfahrungen unter- scheiden. Der Formalismus der Maxwell´schen The- orie des Elektromagnetismus konnte unverändert in die spezielle Relativitätstheorie eingebaut werden. Die Formeln mussten aber neu interpretiert werden. Seit 1983 gilt gemäß der Definition des Meters: c 0 = 299792458 m . s –1 A3 Erkläre den Ausgang des Versuchs von Michelson und Morley unter Verwendung des Prinzips der Kons- tanz der Lichtgeschwindigkeit! Die beiden Prinzipien der speziellen Relativitätstheo- rie scheinen auf den ersten Blick wenig radikal zu sein und lassen keine dramatischen Effekte erwarten. Tat- sächlich ergeben sich aber zB folgende unerwartete und weitreichende Konsequenzen: 1. Ob zwei Ereignisse gleichzeitig stattfinden, hängt vom Bewegungszustand des Beobachters ab. 2. Für ruhende Beobachter gilt: Bewegte Uhren gehen langsamer, bewegte Maßstäbe sind kürzer und bewegte Massen sind träger. 3. DieVakuumlichtgeschwindigkeit kann vonTeilchen nicht überschritten werden. 4. Raum und Zeit können nicht unabhängig vonein- ander betrachtet werden. Abb. 15.2 Bewegt sich ein Magnet relativ zu einer Spule, so wird Spannung induziert. Genauso wird Spannung erzeugt, wenn man die Spule bewegt und der Magnet ruht. Aus der Größe der Spannung lässt sich nicht ableiten, wer sich „wirklich“ be- wegt oder ruht. Die Geschwindigkeit des Lichts hat im Vakuum un- abhängig vom Bewegungszustand von Quelle und Beobachter immer den selben Wert c 0 . Prinzip von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Die Naturgesetze nehmen in allen Inertialsystemen die gleiche mathematische Form an. Alle Inertialsys- teme sind gleichberechtigt. Relativitätsprinzip 0 0 Der Magnet wird bewegt Die Spule wird bewegt Abb. 15.3 Drei Beobachter weisen bezüglich der Licht- quelle unterschiedliche Geschwindigkeiten auf. Dennoch messen beide denselben Wert für die Vakuumlichtgeschwin- digkeit c 0 . Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv