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Was ist SRT, Spezielle Relativitätstheorie in einfachen Worten


Wenn in populärer Literatur von Relativitätstheorie die Rede ist, dann ist fast immer die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) gemeint.
Diese ist im Vergleich zur Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) relativ einfach zu erklären.
Die meisten Veranschaulichungsbeispiele, insbesondere das sogenannte Zwillingsparadoxon, haben die SRT zum Gegenstand.


Am Ende des 19. Jahrhunderts, also lange vor den Relativitätstheorien, waren folgende Sachverhalte gut bekannt:

- Massen werden scheinbar schwerer, wenn sich ihre Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit nähert.
- Die Lebensdauer von kurzlebigen Teilchen wird anscheinend grösser, wenn sich ihre Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit nähert.

Dies sind objektive, experimentell zweifelsfrei erwiesene Sachverhalte, an denen sich alle Erklärungsversuche zu orientieren haben.
Die Formeln aus der Speziellen Relativitätstheorie, die dieses Verhalten in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit beschreiben, waren damals bereits empirisch ermittelt worden, allerdings hat man zu der Zeit noch nicht die Zusammenhänge erkannt, und eine brauchbare Theorie gab es daher noch nicht. Die SRT war sozusagen überfällig.  


Der wichtigste Schritt von Albert Einstein - und das ist der alles entscheidende Knackpunkt zum Verständnis der SRT- war eine auf den ersten Blick ganz simpel wirkende Annahme:

Wissenschaftlich korrekte Formulierung:

1. "Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialsystemen konstant"

2. "Es gibt kein ausgezeichnetes Inertialsystem" 
Einfache Formulierung:

"Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Bezugssystemen die selbe",
Egal wie schnell man sich relativ zu einem Lichtstrahl bewegt: Man wird immer dieselbe Lichtgeschwindigkeit messen (300.000 km/s).

"Es gibt keinen Äther",
also kein Medium, das für Ausbreitung des Lichts notwendig wäre.

 
Mit der Negation eines Äthers ist gemeint, dass elektromagnetische Wellen (und damit Licht) kein Trägermedium benötigen.
Damals hat man nämlich angenommen, dass Licht (elektromagnetische Wellen im Allgemeinen) zu seiner Ausbreitung ein Trägermedium benötigt, den so genannten Äther, ganz in Analogie zu Schallwellen, die ja zu ihrer Ausbreitung Materie benötigen (z.B. Luft, Wasser, Beton).

Für das grundlegende Verständnis der Speziellen Relativitätstheorie reicht die einfache Formulierung aus.

Im Folgenden wird anhand von anschaulichen Beispielen versucht, das Wesentliche herauszustellen. Es werden keine logischen Überlegungen angestellt, sondern es wird nur beschrieben, was man experimentell feststellen würde.

Alltagsbeispiel, klassisch
Alltagsbeispiel so verändert, als ob Relativität gelten würde
Reales relativistisches Beispiel
Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt bekanntlich 330 m/s. Luft ist in unserer Alltagswelt immer präsent. Sie ist Träger des Schalls.

Wir glauben zunächst, Äther sei der Träger für Lichtwellen. Die Lichtgeschwindigkeit liegt bekanntlich bei 300.000 km/s.
Auf einem Zug ist eine Messvorrichtung aufgebaut.
Diese besteht aus einem Lautsprecher, einem Mikrofon in gewisser Entfernung, und einer Laufzeitmessung. Die Vorrichtung ist so aufgebaut, dass damit die Schallgeschwindigkeit in Fahrtrichtung, zwischen Lautsprecher und Mikrofon, gemessen werden kann.

Die Erwartung ist, dass man unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten misst, je nachdem, wie schnell man fährt. Führe man schneller als 330 m/s, dann würde der ausgesendete Schall gar nicht am Mikrofon ankommen.

Die Erde bewegt sich mit ca. 30 km/s um die Sonne. Auf der Erde befinde sich eine Messapparatur, mit der sich die Lichtgeschwindigkeit messen lässt. Diese Apparatur ist so schwenkbar, dass die "Flugrichtung" des Lichts entweder parallel zur Erdbahn um die Sonne, oder senkrecht dazu liegt.

Die Erwartung ist hier, dass die Erdgeschwindigkeit sich in beiden Ausrichtungen unterschiedlich auf die gemessene Lichtgeschwindigkeit auswirkt.
Der Zug steht zunächst.
Es wird die Geschwindigkeit des Schalls zwischen Lautsprecher und Mikrofon gemessen.

Die Messapparatur befinde sich in der einen Ausrichtung.
Es wird die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Apparatur gemessen
Ergebnis: 330 m/s
Ergebnis: 330 m/s Ergebnis: 300.000 km/s
Nun fährt der Zug mit z.B. 30 m/s, das sind ca. 100 km/h.
Wieder wird die Geschwindigkeit des Schalls zwischen Lautsprecher und Mikrofon gemessen.

Nun wird die Messapparatur in die andere Richtung geschwenkt und die Lichtgeschwindigkeit nochmal gemessen.
Ergebnis: (330 - 30) m/s = 300 m/s.
Ergebnis: 330 m/s Ergebnis: 300.000 km/s. Der theoretische Messfehler hierbei war viel kleiner als die erwartete Abweichung. 
Begründung: 
Das Medium Luft  bewegt sich ja bereits mit 30 m/s an der Messapparatur vorbei.
Zum Vergleich:
Bei Überschallflugzeugen verlässt der Schall ab einer Fluggeschwindigkeit von 330 m/s das Flugzeug in Flugrichtung überhaupt nicht mehr.
Genau hier liegt der Knackpunkt. Die Ergebnisse kann man sich klassisch, also mit den bis dato bekannten Begrifflichkeiten, nicht erklären.
Wenn man jedoch akzeptiert, dass diese Ergebnisse wahre Antworten der Natur auf durch den Menschen mittels Experiment gestellte Fragen sind, dann hat man die SRT schon halb verstanden.
Das "Verstehen" bedeutet hier konkret das Ablassen von bis dahin als sicher geglaubten Naturgesetzen.


Es ist klar, dass dies Auswirkungen haben muss auf unsere gewohnte Vorstellung von Raum und Zeit.
Denn wenn die gemessene Lichtgeschwindigkeit immer dieselbe ist, unabhängig davon, ob und wie schnell man sich mit dem Licht mitbewegt, dann folgt daraus unmittelbar, dass Strecken und Zeiten nicht mehr absolut sind, sondern vom Blickwinkel bzw. Standpunkt abhängen, also relativ werden. 
Hält man an der Zeit als solcher fest, dann muss die Messapparatur sich verkleinert haben; will man genau dies jedoch ausschliessen, dann muss man in Kauf nehmen, dass die Zeit "länger" geworden ist.

Das in der rechten Spalte beschriebene Experiment ist eine aus didaktischen Gründen stark vereinfachte Version des so genannten Michelson Morley Experiments. Dieses Experiment wurde zuerst 1881 in Berlin, dann mehrfach und mit immer feineren Messmethoden wiederholt, zuletzt gegen Ende des 20. Jahrhunderts.
Das Ergebnis war immer gleich: Es spielt bei der Messung der Lichtgeschwindigkeit anscheinend überhaupt keine Rolle, ob und wie schnell man sich bewegt.
Dieses Experiment ist das bislang am häufigsten und am längsten diskutierte in der ganzen Physik.
Der Name "Relativitätstheorie" suggeriert etwas falsches; treffender wäre z.B. "Relativitätsmechanik", denn an seiner Richtigkeit zweifelt seit langem überhaupt niemand mehr:

"Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Bezugssystemen die selbe", bzw. "Es gibt keinen Äther"

Ob die Zeit oder die Länge, oder beides relativ wird, hängt vom Standpunkt ab.
Für ein umfassendes Verständnis der SRT kommt man nicht umhin, sich ein paar Skizzen aufzumalen um daraus die entscheidenden Formeln abzuleiten. Das Ungewohnte hierbei ist, dass  in den Skizzen die Lichtgeschwindigkeit immer gleich ist, aber -je nach Szenario- die Längen und Zeiten teilweise nicht. Grundsätzlich wäre dies mit den Mitteln der gymnasialen Oberstufe bewältigbar, bringt aber abgesehen von den Formeln keine grundsätzlich neuen Einsichten. Die Formeln sind natürlich die selben, wie man sie vor der SRT bereits empirisch ermittelt hat (was allein schon ein starkes Indiz für die Richtigkeit ist).
Unter Anderem bestätigen sie die Vermutung, dass die Lichtgeschwindigkeit durch nichts übertroffen werden kann.

Die Relativitätstheorie (beide, also die Spezielle und die Allgemeine) ist auch heute noch (2014) eine eigenständige Insel innerhalb der Physik: Obwohl sie experimentell bestens abgesichert ist (vergleichbar mit Quantenmechanik), gibt es kaum Verbindungen zu anderen Theorien und Teilgebieten der Physik.

Alltagsrelevante Beispiele, in denen Relativität (SRT und ART) in Erscheinung tritt:
- GPS: Die Genauigkeit dieser Systeme ist nur deshalb so hoch, weil relativistische Effekte bei den Berechnungen berücksichtigt werden. Insbesondere müssen die Satellitenuhren ständig (mehrmals pro Stunde) "nachjustiert" werden, da sie aufgrund von Zeitdehnungen unterschiedlich schnell gehen. 


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