Relativitätstheorie

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  • Hallo liebe Raben, gibts hier vielleicht jemand, der oder die mir die Relativitätstheorie erklären könnte? Ich kann ja mal kurz schreiben, was ich bisher verstanden habe (jedenfalls so ungefähr): einmal gibts die Quantenmechanik, die besagt, daß Energie frei gesetzt wird, wenn Teile (Atome) gespalten werden oder auch miteinander verschmelzen. Auf der Quantenmechanik basieren alle Vorgänge im Universum. Eine erweiterte Theorie ist dann die Relativitätstheorie, die besagt, daß Energie gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat ist (E=m * (c*c)). Das heißt, die Masse von Materie verändert sich, indem sie bewegt wird. Die Masse wird größter, wenn sie sich durch den Raum bewegt. Was ich nicht verstehe: wie kann man die Energie mit dieser Formel berechnen, wenn doch gar nicht die tatsächliche Geschwindigkeit der Materie ein Faktor ist, sondern immer die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat? Dann spielt es doch gar keine Rolle, wie schnell die Materie tatsächlich ist. Und wie kommt der Faktor Zeit nun ins Spiel: wieso gehen bewegte Uhren langsamer? Wieso vergeht für einen Astronauten, der sich mit hoher Geschwindigkeit durchs All bewegt, die Zeit langsamer? Ich würds ja so gern verstehen..... #confused

    • Offizieller Beitrag

    Hallo rooty,


    hier mal was ein Freund zu dem Thema sagt:


  • Wow, ich bin beeindruckt! Vielen Dank, Freund von Conundrum und Conundrum! Ich sehe schon, da hab ich mich ja ganz schön blamiert mit meinem gefährlichen Halbwissen....puuhh, deinen Beitrag werde ich mir noch ein paar Mal durchlesen müssen! Gibt es empfehlenswerte Bücher zu dem Thema? Ich hab mich bei Amazon schon mal durchgewühlt, weiß aber nicht, ob die Bücher dann auch wirklich für einen Komplett-Laien wie mich geeignet sind. Zu deinem Text hätte ich aber konkret noch ein paar Fragen: Kann es sein, daß der Begriff Lichtgeschwindigkeit gar nicht unbedingt was mit Licht zu tun hat? Sondern vielmehr, wie du es beschreibst, die maximale Geschwindigkeit, die für ein Objekt theoretisch erreichbar wäre?

  • Liebe rooty, ich möchte dir die Hoffnung nicht gänzlich nehmen, aber um wirklich etwas zu verstehen, muss man sich sehr ausführlich mit solchen Themen beschäftigen. Mit dem interessanten Nebeneffekt, dass jede gelöste Frage mindestens drei weitere aufwirft. ^^


    Ich versuche aber im folgenden auf ein paar deiner aufgeworfenen Punkte einzugehen.


    Hallo liebe Raben, gibts hier vielleicht jemand, der oder die mir die Relativitätstheorie erklären könnte? Ich kann ja mal kurz schreiben, was ich bisher verstanden habe (jedenfalls so ungefähr): einmal gibts die Quantenmechanik, die besagt, daß Energie frei gesetzt wird, wenn Teile (Atome) gespalten werden oder auch miteinander verschmelzen.


    Nein, die Quantenmechanik, deren Wirkung z.B. für sehr sehr kleine Teilchen sichtbar wird, besagt, dass Teilchen nicht an exakt definierten Raumzeitpunkten existieren, sondern ausschließlich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für ihren Aufenthaltsort angegeben werden kann. Außerdem ist ein wesentliches Grundpostulat, dass der Messprozess die Wahrscheinlichkeitsfunktion zu einem Eigenwert kollabieren lässt. Bevor ich aber messe, existiert kein definierter Zustand. Das ist von der normalen Alltagsanschauung her schwer zu verstehen, Schrödinger prägte dafür das berühmte Gleichnis einer Katze in einer Kiste. In der makroskopischen Welt ist die Katze entweder tot oder lebendig, egal ob wir in die Kiste schauen oder nicht. Aber eine mikroskopische 'quantenmechanische' Katze in der Kiste lebt einem Wahrscheinlichkeitszustand mit jeweils bestimmten Wahrscheinlichkeiten für jede der Observablen, in diesem Falle 'tot' oder 'lebendig'. Erst, wenn die Kiste geöffnet wird (Messprozess) entscheidet sich, ob die Katze tot oder lebendig ist. Das Ergebnis ist somit nicht kausal, wie in der klassischen Physik, sondern alle Eigenwerte des Systems können 'zufällig' angenommen werden und sie werden in der Häufigkeit entsprechend ihrer Wahrscheinlichkeit verteilt sein.


    Auf der Quantenmechanik basieren alle Vorgänge im Universum.


    Schwierige Aussage, also 'Nein' im Speziellen, aber noch mehr 'Nein' im Allgemeinen. Zum ersten 'Nein': Die Gravitation ist bisher nicht schlüssig quantisiert, die Bewegung der Planeten z.B. im Rahmen von Quantentheorie nicht erklärbar. Generell zur Terminologie: Quantenmechanik meint relativ wenig, sie beschreibt wirklich im Wesentlichen sehr einfache Systeme (1-Teilchen-Systeme) und deren Zeitentwicklung (Schrödingergleichung). Es gibt weitere Quantentheorien die klassische Theorien erweitern, insobesondere die Quantenfeldtheorien. Die Erfolgreichste ist die Quantenelektrodynamik als Erweiterung der klassischen Elektrodynamik. Zusammen mit der schwachen Wechselwirkung gibt es eine Vereinheitlichung zur Elektroschwachen Wechselwirkung. Auch die Kernkräfte (starke Wechselwirkung) konnten erfolgreich quantisiert werden, aber meiner Meinung nach ist eine vollständige Quantisierung und vor allem Vereinheitlichung aller physikalischen Wechselwirkungen in weiter Ferne, wenn nicht unmöglich. klick


    Zum allgemeinen 'Nein': Vorgänge basieren nicht auf Theorien, sondern Theorien sind die Krücken mit denen wir wenige, uns zugängliche, Teilaspekte von Naturvorgängen unter starken Vereinfachungen beschreiben können. Das heißt nicht, dass physikalische Theorien nicht sehr mächtig sein können und viele Einsichten liefern, aber es bedeutet, dass man sich immer dessen bewusst sein muss, unter welchen Einschränkungen sie funktionieren. Man kann einen LKW ziemlich gut als Massepunkt betrachten, wenn es nur darum geht seine Geschwindigkeitsänderung zu beschreiben. Möchte ich aber etwas über seinen Strömungswiderstand wissen, komme ich mit einem Punkt nicht weit. So ähnlich verhält es sich auch mit klassischen versus quantisierten Theorien in der Physik. In unserer Alltagswelt reicht eine klassische Beschreibung meist aus bzw. ist sogar eine Quantenbeschreibung aufgrund ihrer Komplexität unmöglich (wie z.B. die vollständige Quantenbeschreibung des LKW zusammengesetzt aus Myriaden von Atomen).


    Eine erweiterte Theorie ist dann die Relativitätstheorie, die besagt, daß Energie gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat ist (E=m * (c*c)).


    Nein, die berühmte T-Shirt-Formel ist nur die Nullkomponente des Energie-Impuls-Tensors sprich ein Teil einer vereinheitlichten Darstellung von Raum und Zeit. Sie liefert tatsächlich die Einsicht in die Masse-Energie-Äquivalienz, ist aber nur ein winziger Teilaspekt der speziellen Relativitätstheorie. Das kleine 'm' dieser Formel ist die Ruhemasse deren Energieinhalt mit der Multiplikation mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit berechnet werden kann. (Ab einer bestimmten Abstraktionsstufe wird in der Theorie deshalb nicht mehr zwischen Masse und Energie unterschieden, genauso, wie fundamental betrachtet auch Länge und Zeit 'dasselbe' sind.) Die spezielle Relativitätstheorie wird sichtbar für sehr schnelle Objekte.
    Und wieder noch ein großes allgemeines 'Nein': Die Relativitätstheorie ist nicht die Erweiterung der Quantentheorie, sie ist eine andere Theorie mit einem anderen Gültigkeitsbereich. Unter dem Namen Relativitätstheorie werden zwei sehr verschiedene Theorien zusammengefasst. Du meinst sicherlich die spezielle Relativitätstheorie, auf die sich deine folgenden Fragen bezieht. Die allgemeine Relativitätstheorie, die weitaus komplexer ist, liefert eine geometrische Beschreibung der Gravitation mit beeindruckenden Schlussfolgerungen. Allerdings ist gerade die Beschreibung von Schwerkraft als gekrümmte Raumzeit für die Schwierigkeiten bei der Quantisierung verantwortlich. So erfolgreich die Quantentheorie auf kleinen Skalen ist, so erfolgreich ist die allgemeine Relativitätstheorie auf großen. Nur verheiraten kann man beide nicht, was mich persönlich in der Überzeugung stützt, dass es nicht notwendigerweise eine einheitliche Beschreibung aller Naturkräfte geben muss. Und falls es sie geben sollte, dass sie nicht notwendigerweise mit unseren beschränkten Mitteln quantifizierbar ist.


    Um ein Beispiel zu geben, wie eingeschränkt wir sind, kann man gut das elektromagnetische Spektrum nehmen. Nur einen sehr kleinen Teil nehmen wir wahr; teils als Licht, dass von Rezeptoren unserer Augen verwertet werden kann; teils als Wärmestrahlung, die von Rezeptoren unserer Haut ans Gehirn geleitet wird. Dann gibt es aber noch auf den ersten Blick völlig andere Strahlung, wie Radiowellen oder Röntgenstrahlung, die nicht direkt wahrgenommen werden kann. Um diese Strahlung sichtbar zu machen, müssen wir erst 'Wunderkisten' bauen. Ohne 'Wunderkisten' sind wir aufgeschmissen, wir sehen höchstens 'Wunder'. Gute Theorien können solche 'Wunder' auf schlüssige Weise beschreiben und einen Hinweis geben, nach was man wie suchen kann. Noch bessere Theorien können sogar auf den ersten Blick völlig verschiedene Wunder mit demselben Formelsatz beschreiben, so wie z.B. mit Hilfe der Elektrodynamik das gesamte elektromagnetische Spektrum beschrieben werden kann. Allerdings müssen wir noch viel suchen, und vermutlich können wir nicht für alles 'Wunderkisten' bauen.




    Das heißt, die Masse von Materie verändert sich, indem sie bewegt wird. Die Masse wird größter, wenn sie sich durch den Raum bewegt. Was ich nicht verstehe: wie kann man die Energie mit dieser Formel berechnen, wenn doch gar nicht die tatsächliche Geschwindigkeit der Materie ein Faktor ist, sondern immer die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat? Dann spielt es doch gar keine Rolle, wie schnell die Materie tatsächlich ist. Und wie kommt der Faktor Zeit nun ins Spiel: wieso gehen bewegte Uhren langsamer? Wieso vergeht für einen Astronauten, der sich mit hoher Geschwindigkeit durchs All bewegt, die Zeit langsamer? Ich würds ja so gern verstehen..... #confused


    Ja, es gibt für schnelle Objekte sowohl eine Massenzunahme als auch eine Zeitdilatation. Die Lösung des Rätsels ist, dass die T-Shirt-Formel nur die T-Shirt-Formel ist. Die spezielle Relativitätstheorie ist schon etwas reichhaltiger. Die entsprechenden Formeln findest du hier und hier und beide enthalten die charakteristische Wurzel aus 1- Geschwindigkeit^2/Lichtgeschwindigkeit^2. Diese Wurzel ist für alle 'handelsüblichen' Geschwindigkeiten gleich 1, was bedeutet, dass wir weder Änderungen der Länge noch der Masse sehen. Erst wenn sich die Geschwindigkeit deutlich der Lichtgeschwindigkeit nähert, spuckt die Wurzel einen Faktor kleiner als 1 aus und wird in der Formel wirksam.

    Es grüßt das Döderlein



    Das Leben ist ein kompliziertes. (Und grienhild macht es nur noch schlimmer. :D)

    Einmal editiert, zuletzt von das Döderlein ()

  • Kann es sein, daß der Begriff Lichtgeschwindigkeit gar nicht unbedingt was mit Licht zu tun hat? Sondern vielmehr, wie du es beschreibst, die maximale Geschwindigkeit, die für ein Objekt theoretisch erreichbar wäre?


    Nach den wundervoll ausführlichen Erklärungen hier #super :
    Mit der Lichtgeschwindigkeit in der "T-Shirt-Formel" ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht im Vakuum gemeint und genau wie du es vermutet hast, beschreibt das auch die max. erreichbare Geschwindigkeit im Universum überhaupt.


    Grundsätzlich kannst du zu vielen physikalischen und mathematischen Fragestellungen bei wikipedia schauen, inwieweit die Artikel verständlich sind. Wenn der Artikel bei Wikipedia nicht gerade zur Diskussion oder Überarbeitung steht, ist das meist eine erstmal ganz gute Quelle.

    LG, Junia


    mit #male 05, #male 06, #male 08


    Ps: Ich hab einen neuen Nicknamen. Bitte nicht outen, danke.

    • Offizieller Beitrag

    Hallo rooty,


    so, da ich nicht gerne stellvertretend hier für wen anderes posten will, die letzte Replik auf deine Frage inklusive der Buchtipps.
    Ich hatte mal bei einem Bekannten die laiengeeigneteren Bücher von Stephen Hawking in der Hand, allerdings ging es mir da auch eher so, dass jede beantwortete Frage mindestens 3 neue aufwarf und ich es irgendwie deprimierend fand, dass ich so viele Dinge mangels tieferem Verständnis im Detail einfach als "gegeben" hinnehmen musste.
    Daher lass ich mir solche Sachen auch am liebsten durch freundliche Physiker im direkten Gespräch, gern auch noch mit einem Blatt Papier zum kritzeln, erklären.


    Ansonsten gibt's bei Youtube alle möglichen Erklärungsvideos, inklusive des bekanntesten deutschen Erklärbärs für Physikalisches, Harald Lesch.
    Vielleicht ist da ja noch was für dich dabei?


  • Danke! Ihr seid ja echt lieb, daß ihr Euch so viel Mühe gebt! Das ist doch unwahrscheinlich komplex und für jemand wie mich nicht zu verstehen. Eine Freundin von mir hat auch einige Bücher von Steven Hawking gelesen und meinte, sie hätte alles verstanden, was mich sehr verwundert hat...ich versteh bei Hawking nämlich genausowenig wie bei anderen Büchern. Bis wir dann darauf kamen, daß sie bestimmte Dinge, wie z.B. daß bewegte Uhren langsamer gehen, einfach als gegeben hinnimmt. Sie wunderte sich ihrerseits sehr darüber, daß ich das nicht tat, weil, das könne man doch gar nicht verstehen.....Schade, aber für mich geht das so nicht, dann bleibt das für mich wohl ein Buch mit sieben Siegeln. Irgendwie habe ich auch inzwischen das Gefühl, daß Leute, die diese Zusammenhänge verstehen, über eine überdurchschnittliche Intelligenz verfügen. Klar, sie haben sich auch lange mit der Thematik auseinandergesetzt und möglicherweise auch Physik studiert, aber ich glaube, selbst wenn ich das täte, ich käme nie dorthin. Da fehlen mir wohl ein paar Gehirnwindungen... :S Trotzdem vielen vielen Dank für die Ausführungen und die Tipps (Harald Lesch und die Buchempfehlungen), so ganz geb ich ja noch nicht auf....sehr interessant übrigens der Hinweis, daß Lichtgeschwindigkeit keine feste Geschwindigkeit ist. Das wußte ich tatsächlich nicht! Und viele andere Dinge auch nicht.... #ja #bahnhof

  • Hallo Rooty, ein furchtbar spannendes Thema, das alles! Die Leute, die das durchblicken, haben aber nicht mehr Gehirnwindungen als Du! Alletdings sprechen sie eine andere Sprache, nämlich Mathematik bzw Formeln. Ich denke ab einer gewissen Komplexität kann man physikalische Sachverhalte ohne Formeln oder zumindest daraus abgeleitete Dinge wie zB die Definition von Energie, nicht mehr vernünftig erklären. Und was man nicht erklären kann, ist auch nicht mehr verständlich.


    EDIT noch mehr Text


    Und dann hat deine Freundin nicht so unrecht: denn die Relativitätstheorie ist ja nur eine Theorie, also gibt es keinen Beweis dafür. Allerdings beschreibt diese Theorie die Welt sehr gut, also muss was dran sein - aber einige Dinge muss man einfach als durch die Theorie vorgegben akzeptieren. Zum Beispiel die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.


    Und dann habe ich noch eine Buchtipp für Dich. Ist schon etwas älter, geht aber sehr auf die grundlegenden Konzepte ein und hat in knapper Form viel wichtiges zu Sagen. "Vom Wesen physikalischer Gesetze" von Richard Feynman. Richard Feynman ist Nobelpreisträger aus den 70?ern und einer der ganz bekannten Physiker. Durch seine sehr guten Bücher, aber auch durch eine gewisse Exzentrizität. In diesem Buch sind einige Vorlesungen zusammengefasst, die er öffentlich für Jedermann/Jederfrau gehalten hat.

    mit zwei Jungs (2010 und 2012) schon lange nicht mehr mit tapatalk unterwegs aber endlich wieder mit laptop im Forum

    Einmal editiert, zuletzt von Maegwin ()