Spezielle Relativitätstheorie
Die spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein ist eine Theorie über Raum und Zeit. Sie wurde 1905 im Artikel "Über die Elektrodynamik bewegter Körper" veröffentlicht.
Warum eine neue Theorie von Raum und Zeit?
Die Gesetze der klassischen Mechanik haben die besondere Eigenschaft, dass sie in jedem Inertialsystem, also in jedem unbeschleunigt bewegten System, gleichermaßen gelten (Relativitätsprinzip). Diese Tatsache ist es, die es einem erlaubt, auch im ICE bei voller Fahrt z.B. einen Kaffee zu trinken, ohne sich darum kümmern zu müssen, dass man gerade mit 300 km/h unterwegs ist, und sie erlaubt es auch, auf der Erde zu leben, ohne sich dauernd darum zu kümmern, dass dieselbe mit hoher Geschwindigkeit um die Sonne kreist. Die Transformationen (Umrechnungsformeln), mit denen in der klassischen Mechanik von einem Intertialsystem ins andere umgerechnet wird, heißen Galilei-Transformationen, und die Eigenschaft, dass die Gesetze nicht vom Inertialsystem abhängen, also sich bei einer Galilei-Transformation nicht ändern, nennt man entsprechend Galilei-Invarianz. Die Formeln für eine Galilei-Transformation folgen unmittelbar aus der klassischen Vorstellung eines euklidischen Raumes und einer davon unabhängigen Zeit.
Die Elektrodynamik, die sehr erfolgreich die elektrischen, magnetischen und optischen Phänomene beschreibt, ist nun nicht galilei-invariant. Wenn man nun annimmt, dass klassischen Vorstellungen von Raum und Zeit gültig sind, bedeutet dies, dass es für die Elekrtodynamik ein bevorzugtes Bezugssystem geben muss. Insbesondere sagt die Elektrodynamik voraus, dass für elektromagnetische Wellen (also insbesondere für Licht) die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum (Lichtgeschwindigkeit) stets einen festen, konstanten Wert hat. Wenn es nun ein bevorzugtes Bezugssystem (genannt Äthersystem, weil man sich damals vorstellte, die Lichtwellen seien Wellen eines Mediums, das Äther genannt wiurde) gibt, in dem die Elektrodynamik gilt, so sollte nur in diesem das Licht mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sein. Somit sollte es durch Messung der Lichtgeschwindigkeit möglich sein, die eigene Geschwindigkeit gegenüber dem Äthersystem zu bestimmen (zum Vergleich: Wenn wir neben einem Zug herfahren, von dem wir wissen, dass er – relativ zur Erde – mit 200 km/h unterwegs ist, er sich aber relativ zu uns nur mit 150 km/h bewegt, dann wissen wir, dass wir uns selber mit 50 km/h relativ zur Erde in dieselbe Richtung bewegen).
Ausgehend von dieser Überlegung gab es einige Experimente, die versuchten, die Geschwindigkeit der Erde gegenüber dem Äthersystem zu messen. Der berühmteste davon ist der Michelson-Morley-Versuch, in dem mit Hilfe von Interferenz die Zeiten, die Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen brauchen, miteinander verglichen werden. All diese Versuche konnten jedoch keinerlei Bewegung nachweisen.
Einsteins Lösung des Problems war nun das Postulat, dass auch die Elektrodynamik in jedem Bezugssystem unverändert gilt, und der Grund, warum das mathematisch offenbar nicht funktionierte, an einer falschen Vorstellung von Raum und Zeit lag. Die spezielle Relativitätstheorie liefert ein alternatives Verständnis von Raum und Zeit, mit dem auch die Elektrodynamik nicht mehr vom Bezugssystem abhängt. Ihre Vorhersagen widersprechen oft dem gesunden Menschenverstand, sind jedoch experimentell erfolgreich überprüft worden.
Relativistische Effekte
Wenn die Elektrodynamik in jedem Bezugssystem gleichermaßen unverändert gilt, dann gilt insbesondere auch ihre Vorhersage für eine konstante Vakuum-Lichtgeschwindigkeit in jedem Bezugssystem. Das Licht ist also in jedem Bezugssystem gleich schnell.
Aus dieser Tatsache lassen sich einige Effekte ableiten, die der klassischen Vorstellung von Raum und Zeit widersprechen.
Relativität der Gleichzeitigkeit
Die Aussage der speziellen Relativitätstheorie, die vermutlich den gewohnten Vorstellungen am stärksten widerspricht, ist die Relativität der Gleichzeitigkeit: Die Gleichzeitigkeit, oder allgemeiner die zeitliche Reihenfolge zweier Ereignisse ist abhängig vom Beobachter.
Diese Tatsache lässt sich unmittelbar mit dem folgenden Gedankenexperiment verstehen:
In der Mitte eines Bahnsteiges steht eine Lampe. Für einen Beobachter, der auf dem Bahnsteig steht, ist unmittelbar klar: Wenn die Lampe eingeschaltet ist, dann erreicht das Licht beide Enden des Bahnsteigs gleichzeitig: Es hat ja in beide Richtungen denselben Weg zurückzulegen.
Betrachten wir nun die Situation aus der Sicht eines Fahrgastes eines mit konstanter Geschwindigkeit vorbeifahrenden Zuges: Der Bahnsteig bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit nach hinten. Dadurch hat das Licht der Lampe zum vorderen Ende des Bahnsteigs einen kürzeren Weg zurückzulegen als zum hinteren Ende (denn das vordere Ende kommt dem Zug ja entgegen, während das hintere Ende sich von ihm wegbewegt). Da aber das Licht sich auch für den Fahrgast in beide Richtungen gleich schnell ausbreitet, wird es also das vordere Bahnsteigende früher erreichen als das hintere, insbesondere werden beide Enden des Bahnsteigs nicht gleichzeitig erreicht.
Der Beobachter am Bahnsteig und der Beobachter im Zug sind sich also nicht einig über die Frage, ob die beiden Ereignisse "das Licht erreicht das vordere Ende des Bahnsteigs" und "das Licht erreicht das hintere Ende des Bahnsteigs" gleichzeitig sind.