Spezielle Relativitätstheorie – Grundprinzipien

Die Grundprinzipien der speziellen Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie ist eine der einflussreichsten physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts. Sie wurde im Jahr 1905 von Albert Einstein veröffentlicht – allerdings erst später so genannt. Der Titel seiner Arbeit lautete eigentlich Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Einstein entwickelte seine Theorie gestützt auf die Vorarbeit von anderen Physikerinnen und Physikern, allen voran Hendrik Lorentz und Henri Poincaré. Und selbst Galileo Galilei hatte im 17. Jahrhundert schon ein auf die Mechanik bezogenes Relativitätsprinzip entwickelt.

Wir wollen im Folgenden die Grundprinzipien der speziellen Relativitätstheorie umreißen und ihre Bedeutung erklären. Dazu betrachten wir zunächst die einsteinschen Postulate.

Die einsteinschen Postulate

Die Grundlage der speziellen Relativitätstheorie bilden insbesondere zwei Annahmen, die häufig als einsteinsche Postulate bezeichnet werden. Sie werden in unterschiedlichen Formulierungen verwendet, ihre Bedeutung ist allerdings immer dieselbe. Wir schreiben hier besonders gängige Formulierungen auf:

1. Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller physikalischen Gesetze gleichberechtigt.
2. Die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum ist unabhängig von der Bewegung der Quelle oder des Beobachters und in allen Inertialsystemen gleich. Sie ist außerdem die oberste Grenze aller Geschwindigkeiten.

In den folgenden Abschnitten setzen wir uns damit auseinander, was diese Postulate genau bedeuten.

Das Relativitätsprinzip

Das erste einsteinsche Postulat ist in der oben genannten Formulierung auch als Relativitätsprinzip bekannt. Bezogen auf die Mechanik wurde es vermutlich von Galileo Galilei das erste Mal formuliert. Er nutzte dazu ein Gedankenexperiment, das wir kurz betrachten wollen. Galilei stellte sich Folgendes vor:

Angenommen, wir befinden uns in einem fensterlosen Raum unter Deck eines großen Schiffs. Das Schiff soll sich gleichförmig bewegen – also geradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit fahren – und nicht schwanken. Wir können nun verschiedene Experimente durchführen. Wir könnten uns beispielsweise jeweils an das vordere und das hintere Ende des Schiffs stellen, um uns einen Ball zuzuwerfen. Egal ob wir von vorne nach hinten oder von hinten nach vorne werfen – wir benötigen immer gleich viel Kraft. Lassen wir Wasser von oben in ein Gefäß tropfen, fallen die Tropfen gerade nach unten, obwohl sich das Schiff nach vorne bewegt.

Galilei nennt noch weitere Beispiele, aber sie laufen alle auf dieselbe Erkenntnis hinaus: Die Experimente laufen in dem sich gleichförmig bewegenden Schiff genauso ab, wie sie in einem stillstehenden Schiff ablaufen würden. Hat der Raum keine Fenster, können wir im Innern des Raums nicht durch Experimente herausfinden, ob das Schiff fährt oder steht. Das bedeutet:

Alle physikalischen Gesetze sind in allen Inertialsystemen gleich!

[Zur Erinnerung: Als Inertialsystem bezeichnen wir solche Bezugssysteme, die nicht beschleunigt sind.]

Wir können uns dazu ein weiteres Beispiel anschauen, in dem es zwei Beobachter gibt, die sich in unterschiedlichen Bezugssystemen befinden. Wir stellen uns eine Eisenbahn vor, die mit einer konstanten Geschwindigkeit vorwärts fährt. Person A steht im Innern des Zugs, Person B steht außerhalb. Im Innern des Zugs wird ein Ball fallen gelassen.

Die beiden Personen machen zunächst unterschiedliche Beobachtungen. Person A im Innern des Zugs beobachtet, dass der Ball eine konstant beschleunigte Bewegung nach unten vollführt. Seine Geschwindigkeit nimmt in vertikaler Richtung zu und bleibt in horizontaler Richtung null. Für Person B, die den Ball von außerhalb des Zugs beobachtet, bewegt sich der Ball auf einer Parabel. Er hat eine konstante Geschwindigkeit in horizontaler Richtung – gerade die Geschwindigkeit des Zugs. In vertikaler Richtung beschleunigt er nach unten.

Das Entscheidende ist Folgendes: Obwohl Person A eine Gerade und Person B eine Parabel beobachtet, begründen beide Personen ihre Beobachtung mit demselben physikalischen Gesetz: Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung. Sie beobachten dieselbe wirkende Kraft beziehungsweise Beschleunigung – nämlich die Erdanziehung. Sie würden auch denselben Wert für die Erdbeschleunigung ermitteln, würden sie ihn berechnen. Das ist gerade die Aussage des Relativitätsprinzips: Obwohl die Personen A und B sich in verschiedenen inertialen Bezugssystemen aufhalten, ziehen sie bei einem Experiment dieselben Schlussfolgerungen.

In seiner speziellen Relativitätstheorie erweiterte Albert Einstein dieses Prinzip über die Mechanik hinaus auf alle physikalischen Gesetze, also auch auf die Wirkungen von elektrischen und magnetischen Feldern.

Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine Konstante ist, die unabhängig von der Bewegung des Beobachters oder der Quelle ist, hat insbesondere Auswirkungen auf unsere Vorstellung von Zeit. Diese ist in der speziellen Relativitätstheorie nämlich nicht mehr absolut. Ein Prozess kann für Beobachter in unterschiedlichen Bezugssystemen unterschiedlich lange dauern – abhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen diesen Systemen. Diese Effekte sind allerdings erst bei sehr großen Geschwindigkeiten wirklich relevant. Man spricht in diesem Zusammenhang von der Zeitdilatation, auf die wir in einem anderen Video genauer eingehen.

Der Unterschied zwischen allgemeiner und spezieller Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine Weiterentwicklung der speziellen Relativitätstheorie, die Albert Einstein um das Jahr 1915 herum veröffentlichte. In ihr postulierte Einstein das Konzept der Raumzeit und der Krümmung ebendieser unter dem Einfluss einer Masse.

Die Grundprinzipien der speziellen Relativitätstheorie – Zusammenfassung

Wir wollen die wichtigsten Punkte, die wir gelernt haben, noch einmal zusammenfassen:

• Albert Einstein entwickelte die Grundprinzipien der speziellen Relativitätstheorie 1905 in seiner Arbeit Zur Elektrodynamik bewegter Körper.
• Die Grundprinzipien der speziellen Relativitätstheorie können in Form von zwei Postulaten formuliert werden:
  1. Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller physikalischen Gesetze gleichberechtigt.
  2. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine von der Bewegung der Quelle unabhängige Naturkonstante, die nicht überschritten werden kann.
• Die spezielle Relativitätstheorie ist eine der einflussreichsten physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts.
• Im Jahr 1915 veröffentlichte Albert Einstein die allgemeine Relativitätstheorie.

In diesem Video wird dir die spezielle Relativitätstheorie auf einfache Weise erklärt. Text und Video werden durch interaktive Aufgaben und ein Arbeitsblatt ergänzt.