Was wird wirklich gesucht, wenn wir Einsteins Postulate in der Speziellen Relativitätstheorie verwenden?

Die spezielle Relativitätstheorie kann motiviert werden, indem man sich Maxwells Elektrodynamik ansieht und feststellt, dass es eine Art Inkonsistenz zwischen ihr und der Newtonschen Mechanik gibt. In der Tat, wie Einstein in seinem Artikel hervorhob, sind die beiden Hauptprobleme:

  1. Es gibt viele elektromagnetische Phänomene, bei denen es wirklich auf die Relativbewegung zwischen zwei Beobachtern ankommt. Was hier passiert, ist, dass jeder Beobachter, wenn er versucht, die Gesetze der Elektrodynamik anzuwenden, zu unterschiedlichen Beschreibungen gelangt, während die beobachteten Phänomene dieselben sind. Dies deutet darauf hin, dass die gleichen Rahmen, auf denen die Gesetze der Mechanik in der gleichen Form gelten, auch diejenigen sein sollten, auf denen die Gesetze der Elektrodynamik in der gleichen Form gelten.

  2. Es wurde angenommen, dass die elektrischen und magnetischen Felder Spannungen auf ein bestimmtes materielles Medium darstellen, das als leuchtender Äther bezeichnet wird. Darüber hinaus glaubte man, dass die Gesetze der Elektrodynamik in Bezug auf das Äthergerüst gelten sollten, da Licht Geschwindigkeit hatte C relativ zu seinem Ausbreitungsmedium, das wiederum der Äther wäre. Nun, als Einstein diese Theorie vorschlug, gab es eine ziemlich vernünftige Anzahl von Fehlschlägen bei der Entdeckung dieses Mediums und seines Bezugsrahmens. Dies würde bedeuten, dass es keinen absoluten Rahmen gibt, um die Gesetze der Elektrodynamik zu formulieren.

Das sind die Hauptmotivationen der Theorie. Es gibt jedoch einen ziemlich subtilen Punkt, den ich immer besser verstehen wollte: Als Einstein in seinem bekannten Artikel die Theorie vorschlug, nannte er die Motivation und dann die Postulate. Aber was wird wirklich gesucht, wenn wir diese Postulate beabsichtigen?

Ich meine, wonach Einstein wirklich suchte, war ein neuer Weg, um zwischen Referenzrahmen zu transformieren, der die Gesetze der Elektrodynamik insofern invariant hält, als die Galilei-Transformationen die Gesetze von Newton invariant halten?

In diesem Sinne sah Einstein, dass das Relativitätsprinzip von Galileo für die Elektrodynamik funktionieren sollte, aber in der geschriebenen Form konnte es nicht funktionieren, weil es eine Annahme der absoluten Zeit gab. In diesem Sinne hat Einstein die auf diesem Prinzip basierenden Transformationen ohne absolute Zeit neu abgeleitet, um sie für die Gesetze der Elektrodynamik zum Laufen zu bringen? Das erste Ziel war also am Ende, zu den Lorentz-Transformationen zu gelangen?

Fragen nach Einsteins persönlichen Motiven gehören in die Wissenschaftsgeschichte. Sie können nicht innerhalb der eigentlichen Physik beantwortet werden. Das "Ziel" jeder physikalischen Theorie ist die richtige Beschreibung der Natur.
Vielleicht könnte ich diese Frage in zwei Teile aufteilen, eine betrifft hauptsächlich den historischen Teil und die andere den objektiveren Teil. In Bezug auf den objektiven Teil glaube ich, dass ich mich nicht klar ausgedrückt habe. Ich weiß, dass es darum geht, die Natur richtig zu beschreiben. Aber wenn wir die spezielle Relativitätstheorie aufbauen, was ist das Ergebnis, das wir erreichen wollen, um die Natur richtig zu beschreiben? Sind es die Lorentz-Transformationen? Das heißt, der richtige Weg, Beschreibungen zwischen Trägheitsrahmen zu transformieren, der die Gesetze der Physik invariant hält?
Warum gibt es Ihrer Meinung nach so etwas wie ein bestimmtes "Ziel" einer Theorie? Was ist das "Ziel" der klassischen Mechanik oder der Quantenmechanik? Sie können solch breite Theorien nicht auf „Ziele“ herunterdestillieren, da sie naturgemäß viele verschiedene Situationen umfassen und eine Fülle von Vorhersagen produzieren, die nicht auf etwas so Enges wie ein einzelnes „Ziel“ beschränkt sind.
Das Hauptstück ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in jedem Inertialsystem. Das ist eigentlich alles, was man zusätzlich zur Galileischen Relativitätstheorie braucht (ja, die Newtonsche Physik war schon „relativ“!). Die Lorentz-Transformationen waren schon eine Weile bekannt, als Einstein erklärte, wie sie in die Mechanik passen ... also ist SR wirklich nichts anderes als eine in sich konsistente Zusammenstellung bekannten Materials mit einigen sehr einfachen Erweiterungen.
@ACuriousMind, ich meine nicht, was die Theorie kann. Was ich mit Ziel meinte, ist der Teil der Theorie, der gesucht wurde, als die Theorie aufgebaut wurde. Natürlich ist die Theorie sehr weit gefasst, sie beschreibt die Struktur der Raumzeit und damit den Hintergrund für das Studium von Teilchen und Feldern und so weiter. All das ist bekannt, aber es gab spezifische Motivationen dafür, sowohl theoretische als auch Beobachtungen, und die Theorie wurde als Reaktion auf diese Motivationen entwickelt. Was ich meine, ist, was als das zentrale Stück der Theorie angesehen werden könnte, das die Probleme löste, die es motivierten.
Haben Sie „Einsteins Fehler“ von Ohanian gelesen? Es geht mindestens so gut auf seine Beweggründe für seine Arbeit ein, wie ich es anderswo gelesen habe.
Ich habe die Frage bearbeitet, hoffentlich ist es jetzt etwas klarer, dass ich verstehen möchte, welches mathematische Ergebnis überhaupt gesucht wird, als die Postulate beabsichtigt wurden.

Antworten (1)

„Wonach Einstein wirklich gesucht hat, war ein neuer Weg, um zwischen Referenzrahmen zu transformieren, der die Gesetze der Elektrodynamik insofern invariant hält, als die Galilei-Transformationen die Gesetze von Newton invariant halten?“

Es ging nicht so sehr darum , die Transformationen zu finden , denn die Lorentz-Transformationen waren zu dieser Zeit schon eine Weile bekannt, seit etwa den 1890er Jahren, wenn ich mich recht erinnere. Es ging wirklich darum zu verstehen, was in den Grundprinzipien der Newtonschen Mechanik fehlt, die zu anderen Schlussfolgerungen als denen der Elektrodynamik führen. Wenn Sie so wollen, es war ein frühes Beispiel für die Suche nach der Theory of Everything.

Zu Einsteins Zeiten war der theoretische Rahmen der Galileischen Mechanik bereits gut ausgefeilt, seine Schlussfolgerungen galten als in sich geschlossen und in sich schlüssig. Die Argumentation war dann, dass, wenn das gesamte Universum den unveränderlichen Gesetzen der Mechanik folgte, alle Phänomene mit diesen Gesetzen übereinstimmen sollten. Doch die Elektrodynamik war offensichtlich uneins. Das bedeutete, dass entweder die Elektrodynamik fehlerhaft oder unvollständig war oder etwas mit den Gesetzen der Mechanik nicht stimmte. Letzteres war jedoch seit Newtons Zeit nicht mehr in Frage gestellt worden, während die Elektrodynamik ein viel jüngeres Gebiet war. Eine ganze Weile waren die meisten Bemühungen darauf gerichtet, mögliche elektrodynamische Schlupflöcher und weniger verstandene Konsequenzen zu testen, aber schließlich wurde es offensichtlich, dass Maxwells Gleichungen. waren auch nicht schuld.

Einsteins mutiger Schritt an dieser Stelle bestand darin, der nächsten logischen Option zu folgen, so unwahrscheinlich sie im Moment auch klingen mag: Elektrodynamik akzeptieren, stattdessen die Grundlagen der Mechanik ändern. Was wirklich gebraucht wurde, war eine neue Mechanik-Invariante unter den Lorentz-Transformationen anstelle der Galilei-Transformationen. Aber die Galilei-Transformationen folgen aus sehr grundlegenden kinematischen Prinzipien: Homogenität und Isotropie des Raums und dem Relativitätsprinzip. Es gab keinen Grund, einen von ihnen zu tadeln, aber es gab bereits Gerüchte und Beweise dafür, dass die Lichtgeschwindigkeit eine unveränderliche obere Grenze setzt. Die Fragen, die Einstein als wesentlich ansah und die er beantworten wollte, waren also:

  • Kann die Lichtgeschwindigkeit postuliert werden, zusätzlich zu den Grundvoraussetzungen, die zuvor verwendet wurden, um die Galilei-Transformationen abzuleiten, statt dessen die Lorentz-Transformationen zu rechtfertigen? Kann es Mechanik und Elektrodynamik vereinen?

  • Wenn ja, wie verändert das Lichtgeschwindigkeitspostulat unser Verständnis von Kinematik, Dynamik und Mechanik im Allgemeinen?

Ein Hinweis ist angebracht :

Das Obige ist zugegebenermaßen ein sehr skizzenhafter Abriss des allgemeinen Gedankengangs, aber es vermittelt hoffentlich die Hauptidee. Außerdem kam Einsteins Beitrag nicht ganz aus heiterem Himmel, obwohl sein bahnbrechendes Papier keinerlei Hinweise auf frühere Arbeiten enthält. Tatsächlich gelangte Henry Poincaré praktisch zur gleichen Zeit von nahezu denselben Prämissen zu genau denselben Schlussfolgerungen: Sein Artikel erschien nur zwei Monate nach dem von Einstein, und die Verzögerung könnte etwas mit dem Veröffentlichungszeitplan der gewählten Zeitschrift zu tun haben.

Was wird wirklich gesucht, wenn wir Einsteins Postulate in der Speziellen Relativitätstheorie verwenden?
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