Laienerklärung der speziellen Relativitätstheorie? [abgeschlossen]

Die spezielle Relativitätstheorie leitet sich aus zwei Grundideen ab:

1. Die Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) ist immer c.
2. Die Gesetze der Physik sind in allen Trägheitsbezugssystemen gleich (im Grunde genommen Standpunkte, die nicht beschleunigen, dh sie gehorchen den Newtonschen Gesetzen).

Mit diesen beiden Punkten und ein wenig Mathematik lassen sich verschiedene bewährte Schlussfolgerungen ableiten:

1. Zeitdilatation : Wenn sich etwas relativ zu etwas anderem schnell bewegt, verlangsamt sich die Zeit für den sich schneller bewegenden Körper. Es ist keine Illusion, dass sich die Zeit verlangsamt, es ist die Realität: Einzelne Atome, aus denen der Körper besteht, arbeiten langsamer, chemische Reaktionen funktionieren langsamer und biologische Prozesse (Alterung) laufen langsamer ab. Aus der Perspektive des sich schneller bewegenden Körpers vergeht seine Zeit im gewohnten Tempo.
2. Längenkontraktion : Objekte, die sich schnell relativ zu anderen Objekten bewegen, schrumpfen entlang der Linie der Richtung, in der sie sich bewegen.
3. Relativistische Gleichzeitigkeit : So etwas wie gleichzeitige Ereignisse gibt es nicht: Da die Zeit an den Beobachter gebunden ist, können verschiedene Personen zwei Ereignisse in unterschiedlicher Reihenfolge beobachten. Ausgenommen hiervon sind „kausal bedingte“ Ereignisse, bei denen Ereignis A die Ursache von Ereignis B ist.
4. Masse-Energie : Die Mathematik beschreibt die Masse von Körpern im Ruhezustand und wie sich diese Masse ändert, wenn sich die Körper bewegen. Wenn die Körper schneller werden, werden sie "schwerer". Nichts mit Masse kann sich schneller als Licht fortbewegen (und nichts mit Masse kann sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen), weil jeder massive Körper bei dieser Geschwindigkeit eine unendliche „relative Masse“ erreichen würde . Sie können ableiten$E=mc^2$und Spaltung/Fusion daraus.

Dies ist eine sehr schnelle Zusammenfassung der grundlegenden Punkte und Prinzipien.

Ein wichtiger Punkt bei der Relativitätstheorie ist, dass sie nicht ganz der Physik entspricht, die Sie in einem Einführungskurs in Physik lernen. Dort lernst du etwas über die Newtonschen Gesetze oder das Snellsche Gesetz oder das Lenzsche Gesetz usw.

Das sind alles Gesetze, die den Dingen sagen, wie sie handeln sollen; Sie sagen der Masse, wie sie auf Kraft reagieren soll, oder dem Licht, wie es sich beugen soll, oder den Strömungen, in welche Richtung sie fließen sollen.

Die Relativitätstheorie unterscheidet sich darin, dass sie eine Reihe von Metagesetzen oder Gesetzen bereitstellt, denen die anderen Gesetze der Physik gehorchen müssen. Es sagt den Dingen nicht direkt, was zu tun ist.

Das klassische Beispiel sind Maxwells Gleichungen. Das sind Gesetze, die geladenen Teilchen und elektromagnetischen Feldern sagen, wie sie sich verhalten sollen. Es stellt sich heraus, dass diese Gesetze einem bestimmten mathematischen Kriterium gehorchen, das als "Lorentz-Invarianz" bezeichnet wird und von der Relativitätstheorie gefordert wird. Die Maxwell-Gleichungen sind also gute relativistische Gesetze. Sie gehorchen den Metagesetzen.

Andererseits sind die Newtonschen (Bewegungs-)Gesetze keine guten relativistischen Gesetze. Sie gehorchen nicht den Metagesetzen. In der Relativitätstheorie brauchen wir also einen etwas neuen Satz von Gesetzen, um zu beschreiben, wie Masse auf Kraft reagiert.

Was die Meta-Gesetze sind, sie wurden von Nick Gotch oben als „Grundideen“ umrissen. Diese Grundideen entpuppen sich als äquivalent zur Lorentz-Invarianz.

Die spezielle Relativitätstheorie basiert auf der Idee, wie dieselben Ereignisse für verschiedene Beobachter von jedem Beobachter mit seinen eigenen Linealen und Uhren lokalisiert werden; ihre eigene Messung von Raum und Zeit. Es basiert auch auf dem Prinzip, dass sich die Gesetze der Physik für Beobachter, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, nicht ändern.

Der durchschnittliche Laie hat bereits ein intuitives Verständnis dafür, wie Ereignisse seiner Meinung nach von Beobachtern gesehen werden, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Es kommt unter dem Namen Galileische Relativitätstheorie, nachdem Galileo die Idee zuerst eingeführt hatte.

Beispielsweise wird ein Autofahrer zu einem bestimmten Zeitpunkt t1 die Kupplung treten und dann einen Zeitpunkt t2 später an ungefähr derselben Stelle in seinem Raum das Bremspedal drücken; ein Null-Leerzeichen-Intervall. Andererseits wird jemand auf der Straße, der den Fahrer beobachtet, denken, dass diese beiden Ereignisse mit einem unterschiedlichen Raumintervall ungleich Null in seinem Raum aufgetreten sind, aber durch das gleiche Zeitintervall t2-t1 getrennt sind.

Die spezielle Relativitätstheorie schlägt stattdessen vor, dass sich auch das Zeitintervall zwischen Ereignissen für verschiedene Beobachter auf ähnliche Weise ändert wie für Raumintervalle. Es bedeutet auch, dass gleichzeitige Ereignisse relativ sind, wie Einstein in seiner Arbeit von 1905 betonte.

Einsteins Spezielle Relativitätstheorie kann für einen Laien nicht viel bedeuten, da er für solches Wissen keine Verwendung hat. Die verbreitete Vorstellung, dass dieses Thema extrem kompliziert ist, motiviert jedoch den Laien, es zu lernen.

Die Grundkonzepte dieser Theorie sind eigentlich ziemlich einfach. Kurz gesagt, wenn sich ein Objekt mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt$u$, passieren ihm einige scheinbar ungewöhnliche Phänomene. Wenn ein Balken der Länge$L_0$sich in Richtung seiner Länge bewegt, wird seine neue Länge erscheinen$L_0 \sqrt{1 - u^2 / c^2}$von unserem Standpunkt auf dem Boden, wo$c$ist die Lichtgeschwindigkeit. Wenn Ihnen diese Formel nichts sagt, beachten Sie einfach, dass die Länge mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Aus Sicht des Balkens scheint es natürlich, dass sich unsere Länge um diesen Faktor geändert hat.

Da die Zeit proportional zur bei konstanter Geschwindigkeit zurückgelegten Strecke ist, kann die Längenkontraktion zeigen, dass sich auch die "Zeitrate" ändert, wenn sich ein Objekt bewegt. Wenn eine Uhr mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum reist, tickt sie deutlich langsamer als in Ruhe.

Das sind die Grundlagen, aber aus diesen Konzepten und Experimenten des frühen 20. Jahrhunderts lassen sich Phänomene wie Masse-Energie-Äquivalenz und Kernbindungsenergie ableiten.