Postulate der speziellen Relativitätstheorie einfach erklärt

Stell dir vor, du fährst in einem Raumschiff mit fast Lichtgeschwindigkeit. Würdest du in einem Spiegel noch dein eigenes Spiegelbild sehen? Mit solchen Gedankenexperimenten hat Albert Einstein vor über 100 Jahren unsere Vorstellung von Raum und Zeit komplett auf den Kopf gestellt.

In diesem Artikel schauen wir uns die zwei grundlegenden Spielregeln an, auf denen seine berühmte Spezielle Relativitätstheorie aufbaut. Du wirst lernen, warum es keinen absoluten Stillstand im Universum gibt und warum das Licht die ultimative, unüberwindbare Geschwindigkeitsbegrenzung ist.

Vorwissen

• Das Trägheitsgesetz (1. Newtonsche Gesetz): Ein Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus, solange keine Kraft auf ihn wirkt.

  Beispiel: Ein Puck gleitet auf einer perfekten Eisfläche ewig geradeaus weiter, wenn ihn niemand abbremst.

• Klassische Relativgeschwindigkeit: Im Alltag addieren oder subtrahieren sich Geschwindigkeiten einfach.

  Beispiel: Wenn du in einem Zug, der mit $100 \text{ km/h}$ fährt, mit $5 \text{ km/h}$ nach vorne läufst, bist du für jemanden am Bahnhof $105 \text{ km/h}$ schnell.

Aufgabentyp 1: Inertialsysteme und das Relativitätsprinzip

Stell dir vor, du sitzt in einem ICE, der perfekt ruhig und mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geraden Strecke fährt. Die Rollos sind unten. Wenn du einen Apfel fallen lässt, fällt er genau senkrecht nach unten in deine Hand – ganz genauso, als würde der Zug im Bahnhof stehen.

Ein solches Bezugssystem nennt man in der Physik ein Inertialsystem. Das ist ein System, in dem das Trägheitsgesetz gilt (es gibt keine Ruckler, kein Bremsen und keine Kurven). Jedes System, das sich gegenüber einem Inertialsystem mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus bewegt, ist automatisch selbst ein Inertialsystem.

Daraus leitet sich das Relativitätsprinzip ab:

• Alle Inertialsysteme sind gleichberechtigt: Die Naturgesetze funktionieren in einem ruhenden Zimmer exakt genauso wie in einem Raumschiff, das mit konstanter Geschwindigkeit fliegt.

• Es gibt keinen absoluten Stillstand: Da alles im Universum in Bewegung ist, gibt es kein absolut ruhendes Inertialsystem.

Wenn zwei Raumschiffe im Weltall aneinander vorbeifliegen, kann jeder der beiden Piloten mit vollem Recht behaupten: „Ich stehe still und der andere bewegt sich!“ Die Relativgeschwindigkeit (also der Betrag der Geschwindigkeit $\textcolor{#08BFFF}{v}$, mit der sie sich annähern oder entfernen) ist von beiden Raumschiffen aus betrachtet exakt gleich groß.

Aufgabentyp 2: Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Erinnerst du dich an das Vorwissen? Im Alltag addieren sich Geschwindigkeiten. Wenn du aus einem fahrenden Auto einen Ball nach vorne wirfst, ist der Ball für einen Fußgänger am Straßenrand extrem schnell, weil sich die Geschwindigkeit des Autos und des Balls addieren.

Bei Licht ist das völlig anders! Das zweite Postulat der Speziellen Relativitätstheorie besagt:

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist immer konstant, strikt unabhängig vom Bewegungszustand des Beobachters oder der Lichtquelle.

Wenn du auf einem extrem schnellen Raumschiff stehst (Geschwindigkeit $\textcolor{#08BFFF}{v}$) und eine Taschenlampe nach vorne einschaltest, verlässt das Licht die Lampe mit der Lichtgeschwindigkeit $\textcolor{#9570FF}{c}$. Ein Beobachter, der draußen schwebt und zuschaut, misst für diesen Lichtstrahl exakt dieselbe Geschwindigkeit $\textcolor{#9570FF}{c}$ – und nicht etwa $\textcolor{#9570FF}{c} + \textcolor{#08BFFF}{v}$!

Der exakte Wert dieser universellen Konstante lautet:

$c = 2.997\,924\,58 \cdot 10^8 \frac{\text{m}}{\text{s}}$

Das sind rund $300.000 \text{ km/s}$. Dieses Postulat widerspricht unserer alltäglichen Logik völlig, aber unzählige Experimente haben bewiesen, dass es wahr ist. Es ist der Grundstein dafür, dass Raum und Zeit sich verändern, wenn man sehr schnell reist.

Wichtige Erkenntnisse

• Inertialsystem: Ein Bezugssystem, in dem das Trägheitsgesetz gilt. Jedes System, das sich relativ dazu gleichförmig bewegt, ist ebenfalls ein Inertialsystem.

• Relativitätsprinzip: Alle Inertialsysteme sind physikalisch völlig gleichwertig. Es gibt kein absolut ruhendes System im Universum.

• Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Licht bewegt sich im Vakuum für jeden Beobachter immer mit exakt $c = 2.997\,924\,58 \cdot 10^8 \frac{\text{m}}{\text{s}}$, unabhängig davon, wie schnell sich die Lichtquelle oder der Beobachter bewegt.