Einsteins Relativitätstheorie

Einsteins Relativitätstheorie ist eine berühmte Theorie, aber wenig verstanden. Die Relativitätstheorie bezieht sich auf zwei verschiedene Elemente derselben Theorie: die allgemeine Relativitätstheorie und die spezielle Relativitätstheorie. Die spezielle Relativitätstheorie wurde zuerst eingeführt und später als Spezialfall der umfassenderen allgemeinen Relativitätstheorie angesehen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie ist eine Gravitationstheorie, die Albert Einstein zwischen 1907 und 1915 mit Beiträgen von vielen anderen nach 1915 entwickelte.

Theorie der Relativitätskonzepte

Einsteins Relativitätstheorie beinhaltet das Zusammenwirken verschiedener Konzepte, darunter:

• Einsteins Relativitätstheorie - Lokalisiertes Verhalten von Objekten in Trägheitsrahmen, das im Allgemeinen nur bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit relevant ist
• Lorentz-Transformationen - die Transformationsgleichungen zur Berechnung der Koordinatenänderungen unter spezieller Relativitätstheorie
• Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie - die umfassendere Theorie, die die Schwerkraft als ein geometrisches Phänomen eines gekrümmten Raum-Zeit-Koordinatensystems behandelt, das auch nichtinertiale (d. h. beschleunigende) Bezugsrahmen einschließt
• Grundprinzipien der Relativitätstheorie

Was ist Relativitätstheorie??

Die klassische Relativitätstheorie (ursprünglich von Galileo Galilei definiert und von Sir Isaac Newton verfeinert) beinhaltet eine einfache Transformation zwischen einem sich bewegenden Objekt und einem Beobachter in einem anderen trägen Bezugsrahmen. Wenn Sie in einem fahrenden Zug gehen und jemand am Boden steht und zuschaut, ist Ihre Geschwindigkeit relativ zum Beobachter die Summe Ihrer Geschwindigkeit relativ zum Zug und der Geschwindigkeit des Zuges relativ zum Beobachter. Sie befinden sich in einem trägen Bezugsrahmen, der Zug selbst (und jeder, der noch darauf sitzt) befindet sich in einem anderen, und der Beobachter befindet sich in einem weiteren.

Das Problem dabei ist, dass angenommen wurde, dass sich Licht in den meisten Jahren des 19. Jahrhunderts als Welle durch eine universelle Substanz, den Äther, ausbreitet, die als separater Bezugsrahmen gezählt hätte (ähnlich wie der Zug im obigen Beispiel) ). Das berühmte Michelson-Morley-Experiment hatte jedoch die Bewegung der Erde relativ zum Äther nicht erkannt, und niemand konnte erklären, warum. Irgendetwas stimmte nicht mit der klassischen Interpretation der Relativitätstheorie, wie sie sich auf Licht bezog… und so war das Feld reif für eine neue Interpretation, als Einstein dazukam.

Einführung in die Spezielle Relativitätstheorie

Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein (unter anderem) einen Artikel mit dem Titel "Über die Elektrodynamik von sich bewegenden Körpern" in der Zeitschrift Annalen der Physik. Die Arbeit stellte die Relativitätstheorie vor, die auf zwei Postulaten basiert:

Einsteins Postulate

Relativitätsprinzip (Erstes Postulat): Die Gesetze der Physik sind für alle Trägheitsreferenzrahmen gleich.

Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (Zweites Postulat): Licht breitet sich immer durch ein Vakuum (d. H. Einen leeren Raum oder "freien Raum") mit einer bestimmten Geschwindigkeit c aus, die unabhängig vom Bewegungszustand des emittierenden Körpers ist.

Tatsächlich präsentiert das Papier eine formalere, mathematischere Formulierung der Postulate. Die Formulierungen der Postulate sind aufgrund von Übersetzungsproblemen von Lehrbuch zu Lehrbuch leicht unterschiedlich, vom mathematischen Deutsch bis zum verständlichen Englisch.

Das zweite Postulat wird oft fälschlicherweise so geschrieben, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ist c in allen Bezugsrahmen. Dies ist eigentlich ein abgeleitetes Ergebnis der beiden Postulate und nicht Teil des zweiten Postulats.

Das erste Postulat ist so ziemlich der gesunde Menschenverstand. Das zweite Postulat war jedoch die Revolution. Einstein hatte in seiner Arbeit bereits die Photonentheorie des Lichts zum photoelektrischen Effekt vorgestellt (der den Äther überflüssig machte). Das zweite Postulat war daher eine Konsequenz von masselosen Photonen, die sich mit der Geschwindigkeit bewegten c In einem Vakuum. Der Äther spielte keine besondere Rolle mehr als "absoluter" Inertialbezugsrahmen, so dass er unter besonderer Relativität nicht nur unnötig, sondern qualitativ unbrauchbar war.

Für das Papier selbst war es das Ziel, Maxwells Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit der Bewegung von Elektronen in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit in Einklang zu bringen. Das Ergebnis von Einsteins Arbeit war die Einführung neuer Koordinatentransformationen, Lorentz-Transformationen genannt, zwischen trägen Bezugsrahmen. Bei langsamen Geschwindigkeiten waren diese Transformationen im Wesentlichen mit dem klassischen Modell identisch, aber bei hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit führten sie zu radikal unterschiedlichen Ergebnissen.

Effekte der Speziellen Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie hat mehrere Konsequenzen, wenn Lorentz-Transformationen mit hohen Geschwindigkeiten (nahe der Lichtgeschwindigkeit) angewendet werden. Darunter sind: