Document

Farbprofil:GenerischesCMYK-Druckerprofil
KompositStandardbildschirm
c1
c2
c2 < c1 = c3
Sonne
c3
Beobachter
Große Massen krümmen den Verlauf von
Lichtstrahlen und die Geschwindigkeit
des Lichts wird kleiner (allgemeine
Relativitätstheorie).
In bewegten Systemen vergeht die Zeit
langsamer als in ruhenden Systemen
(spezielle Relativitätstheorie).
Die Sonne ist ein Stern mit unterdurchschnittlicher Größe und etwa 10 Mrd.
Jahren Lebenserwartung (Astrophysik).
Weißer Zwerg
Sonne
NGC 4414
60 Mio. Ly entfernte Spiralgalaxie
R o t e r
Vorhersagbares Verhalten
R i e s e
Nicht vorhersagbares Verhalten
Die Chaostheorie untersucht die Grenzen der Vorhersagbarkeit von Abläufen.
Teil C: Relativität – Astrophysik – Chaostheorie
186
Teil C
G:\Herstellung\Faszination_Physik\Band2_NEU(3+4zusammen)\Fasz_Physik_3+4NEU_SB\Fasz_Physik_3+4_Kern\09_Relativitaet\12877_S_186_220.cdr
Mittwoch,25.Jänner200614:05:07
Farbprofil:GenerischesCMYK-Druckerprofil
KompositStandardbildschirm
Teil
C
Kapitel 9: Relativitätstheorie
Kapitel 10: Astrophysik
Kapitel 11: Chaostheorie
RELATIVITÄT – ASTROPHYSIK – CHAOS
Einer der bekanntesten Physiker aller Zeit, Albert Einstein, hat Anfang des
20. Jhs. mit seinen fundamentalen Arbeiten unsere Vorstellungen vom Universum
revolutioniert.
Bis dahin galten Raum und Zeit als unveränderbare Größen, in denen sich das
Geschehen abspielt. Nun sind es die Ereignisse selbst, die Raum und Zeit
verändern. Immer wenn traditionelle Vorstellungen über Bord geworfen werden
müssen, dauert es längere Zeit, bis dies allgemein akzeptiert wird. So war es auch
mit Einsteins Relativitätstheorie. Es dauerte Jahrzehnte, bis die Konsequenzen der
neuen Sichtweise klar wurden. Je nach Standort unterschiedlich schneller
Zeitverlauf, die Raumkrümmung, Schwarze Löcher, Gravitationswellen, etc. sind
Vorgänge und Erscheinungen, die unser Vorstellungsvermögen auch heute noch
sehr strapazieren.
Man könnte meinen, dass die Relativitätstheorie nur bei astronomische Abläufe
gilt. Dies ist aber nicht der Fall. Sie beschreibt die Wirklichkeit in wesentlich
umfassenderer Weise als die klassische Physik und gilt immer und überall.
Allerdings sind die relativistischen Effekte auf der Erde zumeist so klein, dass sie
nicht direkt in Erscheinung treten und vernachlässigt werden können. Dennoch
sind sie es, die uns einen tieferen Einblick in das Funktionieren des Kosmos
ermöglichen.
Die Astrophysik steht nicht zufällig am Ende unseres Streifzuges durch die Physik.
Um verstehen zu können, wie Sterne entstehen, funktionieren und wieder
vergehen, wie es zur Bildung von riesigen Massenansammlungen (Galaxien)
einerseits und großen, fast leeren Räumen andererseits gekommen ist und wie man
überhaupt Informationen über Objekte gewinnt, die hunderte Millionen Lichtjahre
entfernt sind, ist eine Zusammenschau aller Arbeitsbereiche der Physik nötig. Nur
so kann es uns gelingen, einen kleinen Blick in das grandiose Geschehen im
Kosmos zu werfen.
Neben diesem „Mainstream“ physikalischer Forschung tauchen immer wieder
auch neue und oft unerwartete Theorien auf. Eine davon ist die Chaostheorie, die
zwar auf Vorstellungen von Henri Poincaré (Ende des 19. Jhs.) basiert, aber erst
mit den Fortschritten in der Computertechnologie neues Leben erhielt. Sie erlaubt
einen neuen Blick auf dynamischeAbläufe.
Teil C
187
G:\Herstellung\Faszination_Physik\Band2_NEU(3+4zusammen)\Fasz_Physik_3+4NEU_SB\Fasz_Physik_3+4_Kern\09_Relativitaet\12877_S_187_221.cdr
Mittwoch,25.Jänner200615:11:21
Farbprofil:GenerischesCMYK-Druckerprofil
KompositStandardbildschirm
Sir Isaac Newton (1642–1727)
Newton ging von einer absoluten
Zeit und einem absoluten Raum aus.
Newton und seine Annahmen über Raum und Zeit
B2
B1
v
Im System des Beobachters B2 ist und bleibt
die Kugel in gleichförmiger Bewegung, solange keine Kraft einwirkt. Der Trägheitssatz ist erfüllt. Das System von B2 ist ein
Inertialsystem.
B2
B1
Im System des Beobachters B1 ist und bleibt
die Kugel in Ruhe, solange keine Kraft einwirkt. Der Trägheitssatz ist erfüllt. Das
System von B1 ist ein Inertialsystem.
v
v
Inertialsysteme
beschleunigte
Bewegung
Das System des fallenden (beschleunigten) Menschen ist kein Inertialsystem.
Die Erde ist nur näherungsweise
ein Inertialsystem.
Beschleunigte Bezugssysteme sind keine Inertialsysteme.
188
Newton´sche Mechanik – Einstein´sche Relativitätstheorie
G:\Herstellung\Faszination_Physik\Band2_NEU(3+4zusammen)\Fasz_Physik_3+4NEU_SB\Fasz_Physik_3+4_Kern\09_Relativitaet\12877_S_186_220.cdr
Dienstag,21.Februar200610:51:37
9. Relativitätstheorie
Ende des 19. Jhs. waren viele PhysikerInnen davon überzeugt, dass die wesentlichen Gesetze der Physik bereits entdeckt sind und nur noch Details ausgearbeitet
werden müssen. Mithilfe der Newton´schen Mechanik und der Maxwell´schen
Feldtheorie konnte man die bekannten Erscheinungen der Natur erklären. Man
ging von der Existenz eines absoluten Raumes und einer absoluten Zeit aus, in
denen sich das kosmische Geschehen abspielt.
9.1 Von der Newton´schen Mechanik zur Einstein´schen Relativitätstheorie
Das Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik
In seinem Hauptwerk „Philosophiae naturalis principia mathematica“ geht der
englische Naturforscher Sir Isaac Newton von einem absoluten Raum und einer
absoluten, wahren und mathematischen Zeit aus. Sie existieren objektiv (auch
außerhalb des menschlichen Bewusstseins) und bilden die Bühne für das
kosmische Geschehen. Raum und Zeit werden von diesem Geschehen auch nicht
beeinflusst. Die Länge von Strecken und die Zeitdauer von Abläufen hängen damit
nicht vom Bezugssystem ab.
Newton hat auf dieser Basis u. a. seine drei Grundgesetze der Mechanik (siehe
Band 1+2) aufgestellt. Im Besonderen interessiert uns hier der Trägheitssatz:
Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen
Bewegung auf gerader Bahn, bis eine Kraft auf ihn einwirkt.
Wir betrachten eine Kugel, die relativ zum Beobachter B1 in Ruhe ist. Es gilt der
Trägheitssatz, die Kugel bleibt, solange nicht eine Kraft auf sie einwirkt, in Ruhe.
Ein zweiter Beobachter (B2) bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit v am
Beobachter B1 vorbei. Aus seiner Sicht ist und bleibt die Kugel in gleichförmiger
Bewegung. Auch hier gilt der Trägheitssatz. B1 (mit Kugel) und B2 bilden zwei
Bezugssysteme, die sich aneinander mit der konstanten Geschwindigkeit v vorbeibewegen. Systeme, in denen der Trägheitssatz gilt, haben in der Physik eine
besondere Bedeutung. Man nennt sie Inertialsysteme. Alle Systeme, die relativ zu
einem Inertialsystem in Ruhe oder in gleichförmiger Bewegung sind, sind wieder
Inertialsysteme.
Bewegt sich der Beobachter beschleunigt, so ist sein Bezugssystem kein
Inertialsystem. Aus der Sicht eines frei fallenden Menschen werden die Wolken
ohne erkennbare Kraft nach oben beschleunigt. Der Trägheitssatz gilt hier also
nicht mehr. Streng genommen ist auch die Erde auf Grund ihrer Rotation und ihrer
gekrümmten Bahnbewegung um die Sonne kein Inertialsystem. Und auch die
Sonne bewegt sich mit ihren Planeten entlang einer gekrümmten Linie um das
Zentrum der Milchstraße. Für viele kurz andauernde Betrachtungen sind diese
Abweichungen von einer geradlinigen Bahn allerdings vernachlässigbar. Das beste
Inertialsystem, von dem wir ausgehen können, ist der Fixsternhimmel.
Newton´sche Mechanik – Einstein´sche Relativitätstheorie
2
189
Farbprofil:GenerischesCMYK-Druckerprofil
KompositStandardbildschirm
z
z´
v
x´
y´
x
y
Die Experimente verlaufen in beiden Inertialsystemen gleich. Es kann nicht entschieden
werden, ob sich der Zug nach rechts, oder der Bahndamm nach links bewegt.
Bewegungen können nur relativ angegeben werden.
Newton´sches Relativitätsprinzip
Starrer Festkörper,
da Licht eine Transversalwelle mit hoher
Geschwindigkeit ist.
c
c
Sehr kleine Dichte,
sonst würden die
Planeten gebremst.
Eigenschaften des Äthers
W
ass
c
Im ruhenden Äther breitet sich Licht in
alle Richtungen mit c aus.
Raumvorstellung in der Ätherhypothese
erwell
c
c
Spiegel
Lichtquelle
en
c
v
v
c-v
c+v
c
c-v
v
c+v
c
Geschwindigkeit der Wasserwellen Geschwindigkeit der Lichtwellen im ruhenrelativ zum bewegten Boot
den Äther, relativ zur bewegten Erde
Relativgeschwindigkeiten
190
Newton´sche Mechanik – Einstein´sche Relativitätstheorie
G:\Herstellung\Faszination_Physik\Band2_NEU(3+4zusammen)\Fasz_Physik_3+4NEU_SB\Fasz_Physik_3+4_Kern\09_Relativitaet\12877_S_186_220.cdr
Mittwoch,25.Jänner200614:05:09