Die Spezielle Relativitätstheorie einfach erklärt

[Jocelyne Lopez]

Hallo zusammen,

Ich darf behaupten, dass ich die SRT mittlerweile sehr gut kenne, weil ich mich intensiv mit dieser Theorie seit 5-6 Jahren in Foren beschäftige und weil sie einfach ist.

Genau gesagt muss ich sagen, dass ich erst nach 5-6 Jahren intensive Beschäftigung mit dieser Theorie entdeckt habe, dass sie einfach ist, weil man sie extrem kompliziert, konfus und – in vielen Fällen – irreführend erklärt.

Ich versuche, sie hier aus meiner Sicht am einfachsten zu erklären:

Die ganze Theorie beruht auf einer Hypothese und auf der mathematischen Formulierung dieser Hypothese.
Die mathematische Formulierung selbst beruht auf einer sehr einfachen mathematischen Operation, die jeder seit der Grundschule kennt: die Addition.

Es existiert zurzeit in der Physik für die Addition von Geschwindigkeiten drei verschiedene Additionen, die sich gegenseitig ausschließen jedoch alle drei als gültig gelten:

1. die Geschwindigkeitsaddition von Galilei/Newton
2. die Geschwindigkeitsaddition von Lorentz
3. die Geschwindigkeitsaddition von Einstein

Nehmen wir zur Verdeutlichung ein ganz einfaches Beispiel:

Auto A fährt auf einer Straße mit 100 km/h in Richtung Auto B, das wiederum mit 70 km/h in Richtung Auto A fährt.

Man darf also wahlweise berechnen:

- gemäß Galilei/Newton: A + B = genau 170 km/

- gemäß Lorentz: A + B = fast 170 km/h

- gemäß Einstein: A + B = 100 km/h, oder aber A + B = 70 km/h
(wahlweise, je nach dem, ob man A oder B als ruhend oder als bewegt ansieht)

Mehr gibt es bei diesen drei verschiedenen Geschwindigkeitsadditionen zu verstehen - die sich gegenseitig ausschließen jedoch heutzutage in der Physik alle drei als gültig gelten - und bei der Grundhypothese der Speziellen Relativitätstheorie.

Viele Grüße
Jocelyne Lopez

[Mirko]

Dass
2. die Geschwindigkeitsaddition von Lorentz
3. die Geschwindigkeitsaddition von Einstein

identisch sind, hatten wir doch schon.

[Jocelyne Lopez]

Ich versuche, sie hier aus meiner Sicht am einfachsten zu erklären:

Die ganze Theorie beruht auf einer Hypothese und auf der mathematischen Formulierung dieser Hypothese.
Die mathematische Formulierung selbst beruht auf einer sehr einfachen mathematischen Operation, die jeder seit der Grundschule kennt: die Addition.

Es existiert zurzeit in der Physik für die Addition von Geschwindigkeiten drei verschiedene Additionen, die sich gegenseitig ausschließen jedoch alle drei als gültig gelten:

1. die Geschwindigkeitsaddition von Galilei/Newton
2. die Geschwindigkeitsaddition von Lorentz
3. die Geschwindigkeitsaddition von Einstein

Die Tatsache, dass in der Physik 3 Geschwindigkeitsadditionen existieren, die sich gegenseitig ausschließen, wird nie klar dargelegt, obwohl dies fundamental ist, wenn man den Meinungsstreit verstehen lassen möchte und wenn man auch verstehen lassen möchte, in wie fern die Spezielle Relativitätstheorie eine „Revolution“ in der Physik darstellt : Die Geschwindigkeitsaddition von Einstein ist in der Tat eine Revolution, weil sie sich radikal sowohl von der Geschwindigkeitsaddition von Galilei/Newton als auch von der Geschwindigkeitsaddition von Lorentz abgrenzt.

Der Hauptgrund der Verwirrung, die hier bei den Lernenden stattfinden kann, ist ausschließlich auf Ungesagte, auf Unterlassungen, auf sprachliche Unschärfe, auf Verwendung eines Jargons, auf Missverständnisse und auf Verwechselungen bei der Aufklärung der Theorie in einer natürlichen Sprache zurückzuführen. Es handelt sich grundsätzlich um ein Problem der sprachlichen Kommunikation, wenn man die Spezielle Relativitätstheorie nicht versteht und extrem kompliziert findet.

Bei dem Begriff "Geschwindigkeitsaddition", zum Beispiel, den jeder seit der Grundschule kennt und versteht und den man sehr leicht erklären kann, wenn man die drei verschiedene Geschwindigkeitsadditionen, wovon es um die SRT die Rede ist, mit einem einfachen Beispiel darlegt, ist dieses Problem des Ungesagtes, der sprachlichen Unschärfe und der Verwendung eines Jargons auch ersichtlich.

Zum Beispiel bezeichnet man nie die Geschwindigkeitsaddition von Lorentz als eine Geschwindigkeitsaddition: Man spricht immer – zumindest in der deutschen Sprache – von der „Lorentztransformation“. Ich wurde wie gesagt in Frankreich in der Physik und der Mathematik im Gymnasium ausgebildet (nicht über die Relativitätstheorie), jedoch habe ich nie im Unterricht den Begriff „Transformation“ für den Begriff „Addition“ gehört. Ich habe also immer geglaubt, dass die „Lorentztransformation“ in der Physik irgendetwas sehr kompliziert sei, das hohe Mathematik erfordert und mir daher nicht zugänglich war. Ich habe lange nicht erkannt, dass die „Lorentztransformation“ eine Geschwindigkeitsaddition ist, auf der gleichen einfachen arithmetischen Basis wie die Geschwindigkeitsaddition von Galilei/Newton, und die auch ein vergleichbares Ergebnis liefert wie Galilei/Newton (bis auf einem winzigen Unterschied, der auf der Hypothese von Lorentz der realen Längenkontraktion von bewegten Objekten zurückzuführen ist). Ich habe lange nicht erkannt, dass diese „Transformation“ überhaupt keine hohe Mathematik erfordert, sondern nur Algebra und Pythagora, und dass sie daher zugänglich für Gymnasialschuler ist, die noch gerade in der Ausbildung sind.

Viele Grüße
Jocelyne Lopez

[Jocelyne Lopez]

Dass
2. die Geschwindigkeitsaddition von Lorentz
3. die Geschwindigkeitsaddition von Einstein

identisch sind, hatten wir doch schon.

Richtig, das hatten wir schon,
siehe zum Beispiel: Die Wahrheit über die Entstehung der Relativitätstheorie

[Jocelyne Lopez]

--
Ein anderes gravierende Missverständnis bei der Erklärung der SRT ist bei vielen Lernenden vorhanden und hat am Anfang auch bei mir stattgefunden: Das Missverständnis über den Begriff „Konstanz der Lichtgeschwindigkeit“.

Ich habe wie gesagt die Relativitätstheorie nicht in der Schule gelernt, ich kannte nur ihren Ruf als geniale und sehr komplexe Theorie – was man eben überall hört – und obwohl ich mich mein Leben lang für die Wissenschaft interessiert habe, wußte ich nichts davon bis zu einem fortgeschrittenen Alter und habe auch nie versucht, sie alleine zu untersuchen und zu verstehen.

Ganz unabhängig also von der Relativitätstheorie, wußte ich jedoch wegen Festsetzung der Länge der Maßeinheit Meter, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant und eine Höchstgeschwindigkeit war – ohne jedoch zu dieser Zeit zu wissen, dass es das Fundament der Speziellen Relativitätstheorie war.

Diese Information hatte mich in Gedanken beschäftigt und ich hatte mich immer gefragt, wie man bloß festgestellt hat, dass die LG eine konstante Höchstgeschwindigkeit bei einem bestimmten Wert war - ohne alleine eine Antwort zu finden, die ich befriedigend fand.

Ich fand es nämlich nicht so prickelnd und so einmalig, man kann es meiner Meinung nach von allen Messungen der Geschwindigkeit eines Objekts sagen, nicht nur für das Licht: Wenn man zum Beispiel die Höchstgeschwindigkeit eines Autos von einem bestimmten Typ auf der selbe Teststrecke, mit derselbe Meßmethode, mit denselben Instrumenten und unter denselben Randbedingungen misst, wird man auch immer dieselbe ungefähr konstante (Höchst)Geschwindigkeit bestimmen. Nichts Besonderes.

Ich habe mir gesagt, dass es eigentlich nur von der Genauigkeit der Instrumente abhängt, d.h. für die Lichtgeschwindigkeit von der Empfindlichkeit der Photozellen des Lichtdetektors, sprich für einen menschlichen Beobachter von der Empfindlichkeit der Photozellen der menschlichen Netzhaut : je mehr die Photozellen empfindlich sind, desto mehr wird man eine (maximale) Geschwindigkeit finden. Wie kann man aber wissen, dass unsere modernen Lichtdetektoren die notwendige und ausreichende Empfindlichkeit haben, um die Lichtgeschwindigkeit korrekt zu messen? Vielleicht gibt es im Universum – oder hat es gegeben – Photozellen mit einer Empfindlichkeit 1000 mal größer als unsere jetzigen Detektoren, zum Beispiel in den tiefsten Tiefen der Ozeane, warum nicht, wer kann es sagen?

Ohne bis in die Tiefen der Ozeanen zu gehen, stellt man schon in unserer Alltagsdimension fest, dass sich Photonen zum Beispiel nachts um uns herum ständig bewegen und uns um die Ohren fliegen, ohne dass unsere Netzhaut sie wahrnehmen kann. Nehmen wir zum Beispiel ein Beobachter und eine Eule, die nachts nebeneinander auf einem Baum sitzen. Auf einmal fliegt die Eule weg und fängt eine Maus in 20 m Entfernung auf einer Wiese: Photonen sind auf den Körper der Maus aufgeprallt und wurden in Richtung Baum reflektiert. Der Beobachter hat nichts gesehen, die Eule hat gesehen.

Kurz und gut, ohne mit der Relativitätstheorie im geringsten etwas zu ahnen, habe ich vor 7-8 Jahren diese harmlosen Überlegungen in Foren dargelegt. Und dann haben meine Schwierigkeiten angefangen… Man ist auf mich mit so einer Aggressivität hergefallen, dass ich nicht mehr wußte, was mir geschah, ich fiel völlig vom Himmel. Die Verunglimpfungen, die Beleidigungen und Beschimpfungen haben sich selbst übertroffen, Verleumdungen über eine rechtsradikale, antisemitische und rassistische Gesinnung folgten auch prompt. Ich wußte nicht, was mir geschah, ich war völlig entgeistert. Ich habe nur allmählich mitgekriegt, dass diese Reaktionen darauf zurückzuführen waren, dass man geglaubt hat, ich würde die Relativitätstheorie in Frage stellen.

Wegen diesen völlig disproportionierten und unangemessenen Reaktionen auf meine harmlosen Überlegungen, habe ich mir gedacht, dass es gar nicht normal sein könnte, so eine Aggressivität, irgendetwas stimmte hier nicht, irgendetwas war faul. Und so habe ich angefangen mich für die Relativitätstheorie näher zu interessieren... und sie dann in Frage zu stellen.

Und so konnte ich auch allmählich ein gravierendes Missverständnis im Zusammenhang mit dem Begriff der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit endecken.

Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, wovon es die Rede in der Speziellen Relativitätstheorie ist, das war doch gar nicht die Konstanz der LG, die ich am Anfang mit meinen Überlegungen über die Empfindlichkeit der Photozellen im Kopf hatte, so wenn sich die LG allein im Raum bewegt und relativ zur Erdoberfläche gemessen wird, sondern es war die Konstanz der LG relatif zu einem zweiten Objekt, das sich auch relativ zum Licht im Raum bewegt! Ganz was anderes! Und da war natürlich die Frage der Empfindlichkeit der Instrumente völlig außen vor, es spielte keine Rolle mehr: Es handelte sich nicht mehr um die Empfindlichkeit der Photozellen, sondern um den Umstand, dass man die beiden Geschwindigkeiten in der SRT nicht addieren darf! Ganz was anderes als das, was ich am Anfang im Kopf hatte, das habe ich nur allmählich erkannt.

Ich habe in Forendiskussionen danach sehr oft gemerkt, dass viele Lernende auch diesem Missverständnis unterliegen und den Unterschied bei dem Begriff „Konstanz der Lichtgeschwindigkeit“ zwischen der absoluten Geschwindigkeit des Lichts (=seine Geschwindigkeit relativ zur Erdoberfläche, wie sie immer gemessen wurde) und der relativen Geschwindigkeit des Lichts (=seine Geschwindigkeit relativ zu einem bewegten Beobachter) nicht kennen bzw. nicht erkennen können, vermischen oder verwechseln.

Viele Grüße
Jocelyne Lopez

[Hannes]

Hallo Jocelyne !

Ich habe in Forendiskussionen danach sehr oft gemerkt, dass viele Lernende auch diesem Missverständnis unterliegen und den Unterschied bei dem Begriff „Konstanz der Lichtgeschwindigkeit“ zwischen der absoluten Geschwindigkeit des Lichts (=seine Geschwindigkeit relativ zur Erdoberfläche, wie sie immer gemessen wurde) und der relativen Geschwindigkeit des Lichts (=seine Geschwindigkeit relativ zu einem bewegten Beobachter) nicht kennen bzw. nicht erkennen können, vermischen oder verwechseln

Das Problem liegt noch etwas tiefer !
Die meisten Leute halten die LG für eine eigenständige Geschwindigkeit des Lichtes.
In Wahrheit ist die LG nur eine Weiterleitungsgeschwindigkeit und daher abhängig von dem jeweiligen Weiterleitungsmedium.
Erst wenn sich diese Ansicht durchsetzt, wird man die Zusammenhänge erkennen.
Ich kann daher Lichtgeschwindigkeit + Lichtgeschwindigkeit wirklich nicht addieren.Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist NUR vom Medium abhängig.
Erst wenn sich das Medium bewegt, entsteht die Geschwindigkeit c +- v_Medium.
Innerhalb eines Mediums ist die LG konstant zu diesem.

Mit Gruß Hannes

[Jocelyne Lopez]

Das Problem liegt noch etwas tiefer !
Die meisten Leute halten die LG für eine eigenständige Geschwindigkeit des Lichtes.
In Wahrheit ist die LG nur eine Weiterleitungsgeschwindigkeit und daher abhängig von dem jeweiligen Weiterleitungsmedium.

Nur, dass Einstein auch in seiner SRT die LG „für eine eigenständige Geschwindigkeit“ des Lichts hält.
Und ich erkläre hier die SRT bzw. sein Postulat der Konstanz der LG zu bewegten Beobachtern, das für die Ausbreitung des Lichts ohne Medium gilt!

Das Problem des Einflußes eines bewegten oder unbewegten Mediums gehört also nicht in der Erklärung der SRT. Die Analyse der SRT mit Elementen aus einer Medium-Theorie ist hier irreführend, sie gehören zu anderen Theorien oder Alternativen.

Die Verwirrung hat zwar Einstein selbst in seiner SRT eingepflanzt, in dem er die Lorentztransformation (also den Einfluß eines Mediums auf der Lichtausbreitung) übernommen hat, jedoch negiert er weiterhin der Einfluß eines Mediums in seiner SRT, da er anders als Lorentz die Längenkontraktion nicht als real ansieht und anders erklärt (Minkowski-Raum). Dadurch ist auch der Minkowski-Raum lediglich eine Spielwiese für Mathematiker, wenn sie gerade nichts anderes zu tun haben, und mehr nicht.

In der SRT und in der relativistischen Geschwindigkeitsaddition spielt also ein Medium gar keine Rolle. Es ist leider eine Quelle von endlosen Debatten und es verhindert die Erklärung der SRT, wenn man einen Medium oder irgendwelche physikalische Phänomenen zur Erklärung der relativistischen Geschwindigkeitsaddition von Einstein heranzieht. Sie steht ohne Medium: Das Licht ist konstant zu bewegten Beobachtern, also egal ob sie sich in einem Medium bewegen oder auch nicht. Einstein hat ausdrücklich erklärt, dass er für die Postulate seiner SRT keinen Medium braucht. Seine Geschwindigkeitsaddition gilt also genauso gut mit oder ohne Medium. Das ist auch ein Grund von Verwirrungen und Irreführungen, von einem Medium in der SRT überhaupt zu sprechen. Auch das was für mich als Lernende der SRT lange eine Quelle von Missverständnissen.

Viele Grüße
Jocelyne Lopez

[Hannes]

Hallo Jocelyne !

Das Problem des Einflußes eines bewegten oder unbewegten Mediums gehört also nicht in der Erklärung der SRT. Die Analyse der SRT mit Elementen aus einer Medium-Theorie ist hier irreführend, sie gehören zu anderen Theorien oder Alternativen.

Ich bin schon lange davon abgekommen, der SRT auf die Sprünge helfen zu wollen.
Für mich ist die SRT auf falschen Annahmen aufgebaut und selbst Einstein himself hat die Anwesenheit eines lichtleitenden Systems nachträglich zugegeben, wie wir in unserer Diskussion oft genug festgestellt haben.
Es ist die Annahme einer Eigengeschwindigkeit des Lichtes, die nicht stimmig ist.
Und über unstimmige Annahmen sollten wir uns gar nicht mehr den Kopf zerbrechen.
Die SRT hat einige Elemente,die für mich logisch sind: Z.B die begrenzte Wirkgeschwindigkeit des Elektromagnetismus, sodass durch die begrenzte Anschubkraft des elmag-Feldes keine höhere Geschwindigkeit als c möglich ist.
(daraus resultiert das SRT Additionstheorem)
So wird es wahrscheinlich auch kommen: Die falschen Annahmen werden durch
bessere ersetzt, was gut ist, kann beibehalten werden.
So ist es noch mit jeder Theorie seit Menschengedenken geschehen.
Mit Gruß Hannes

[Jocelyne Lopez]

In der SRT und in der relativistischen Geschwindigkeitsaddition spielt also ein Medium gar keine Rolle. Es ist leider eine Quelle von endlosen Debatten und es verhindert die Erklärung der SRT, wenn man einen Medium oder irgendwelche physikalische Phänomenen zur Erklärung der relativistischen Geschwindigkeitsaddition von Einstein heranzieht. Sie steht ohne Medium: Das Licht ist konstant zu bewegten Beobachtern, also egal ob sie sich in einem Medium bewegen oder auch nicht. Einstein hat ausdrücklich erklärt, dass er für die Postulate seiner SRT keinen Medium braucht. Seine Geschwindigkeitsaddition gilt also genauso gut mit oder ohne Medium. Das ist auch ein Grund von Verwirrungen und Irreführungen, von einem Medium in der SRT überhaupt zu sprechen. Auch das was für mich als Lernende der SRT lange eine Quelle von Missverständnissen.

wobei ich hier präzisieren muss, dass es meistens die Kritiker waren, die Überlegungen über den Einfluß eines Äthers auf die Lichtausbreitung ins Spiel gebracht haben, und nicht die Relativisten, so daß diese Quelle der Missverständnisse und Verwirrung diesmal von den Kritikern kam. Die Kritiker, die eine Äthervorstellung vertreten, können sich meistens in ihrer Kritik der SRT nicht von dieser Vorstellung trennen und vermischen sie in ihren Argumentationen, was wie gesagt für Lernende eine Quelle von Verwirrungen ist. Das Postulat c+v konstant bei c hat nichts mit der Vorstellung von Ätheranhänger (wie z.B. Lorentz) mit einer Konstanz des Lichts relativ zum Äther zu tun, das sind zwei getrennte und voneinander unabhängige Hypothesen. Die bewußte oder unbewußte Vermischung der beiden Hypothese ist ein große Quelle von Missverständnissen für das Verständnis oder die Kritik der SRT.

Nicht umsonst hat sich G.O. Mueller zum Beispiel strikt an der reinen Kritik der SRT beschränkt, unter Ausschluß von jeglichen Argumentierungen, die andere Vorstellungen der Lichtausbreitung betreffen.

Viele Grüße
Jocelyne Lopez

PS: Hallo Hannes! Unsere letzten Beitäge haben sich überkreuzt (wohl die relative Gleichzeitigkeit ), aber ich glaube, ich bin mit meinem Beitrag schon auf Deinen Beitrag eingegangen, ohne ihn vorher gesehen zu haben.

[Hannes]

Hallo Jocelyne !

PS: Hallo Hannes! Unsere letzten Beitäge haben sich überkreuzt (wohl die relative Gleichzeitigkeit ), aber ich glaube, ich bin mit meinem Beitrag schon auf Deinen Beitrag eingegangen, ohne ihn vorher gesehen zu haben.

Das kommt vor, dass sich zwei Beiträge überkreuzen,ist mir schon öfters passiert.

Meine Bestrebungen- und ich habe sie auch den Relativisten erklärt- gehen dahin, die Theorie weiterzuentwickeln und neuesten Erkenntnissen anzupassen.
Wenn das nicht geschieht, ist die SRT zum Untergang verurteilt.
Ich habe das Gefühl, dass Einstein selbst eine Weiterentwicklung anstrebte,
er aber von seinen Anhängern nicht unterstützt wurde.
Mit Gruß Hannes