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Physik Relativitätstheorie |
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| Einstein
und seine Theorien |
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| Einsteins
Erkenntnisse: Erstaunlich!! |
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Viele
kennt sie - doch die wenigsten wissen etwas damit anzufangen: die Relativitätstheorie
von Albert Einstein. Und viele Schüler und Schülerinnen lernen: E=mc2,
doch verstehen können das nur die Genies.
Einsteins
Theorie von Raum und Zeit ist die herausragende Denkleistung des letzten
Jahrhunderts. Wie ist es zum Beispiel mit Einsteins Behauptung, dass Uhren
langsamer laufen, wenn sie sich bewegen? Wer auf Reisen geht, wird tatsächlich
jünger. Gekrümmte Räume und Schwarze Löcher - von Einstein
vorhergesagt. Aber gibt es die wirklich?
| Lichtgeschwindigkeit
- Bestehendes Wissen |
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| Lichtgeschwindigkeit
- nichts ist schneller |
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| Nichts
ist schneller als das Licht. Mit rund 300'000 Kilometer pro Sekunde (Der genaue Wert im Vakuum ist c = 299'792 Kilometer pro Sekunde,
das entspricht 1'079'251'200 Kilometer pro Stunde.)
ist die Lichtgeschwindigkeit das absolute Limit, sowohl für Materie
als auch für Strahlung und Information. Das Erstaunliche ist jedoch
nicht die Grösse, sondern dass der Wert immer gleich bleibt, egal
wie schnell sich die Lichtquelle oder der Beobachter bewegt. |
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Was
das heisst, wird an folgendem Beispiel klar:
Man
wirft aus dem Stand einen Apfel mit 30 Kilometern pro Stunde nach vorne.
Der Apfel fliegt dann mit 30 Stundenkilometern. Jetzt setzt sich man ins
Auto und fährt mit einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern.
Wieder wirft man einen Apfel nach vorne. Der Apfel flitzt dann mit 50+30=80
Stundenkilometern über die Strasse. Soweit so gut.
Leuchtet man aus
dem Stand mit einer Taschenlampe nach vorne, bewegt sich das Licht mit
300'000 Kilometern pro Sekunde.
Nun führt man dieses Experiment wie
oben im Auto aus, fährt also mit einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern
und leuchtet mit der Taschenlampe nach vorne.
Das Licht rast jedoch nicht
mit Lichtgeschwindigkeit +50 Stundenkilometern dahin, sondern nach wie
vor mit 300 000 Kilometern pro Sekunde.
Es ist ausserdem gleichgültig,
ob die Lichtgeschwindigkeit vom Auto aus gemessen wird oder vom Strassenrand,
der Wert bleibt immer gleich.
Die
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit wurde zuerst im Jahre 1887 im so genannten Michelson-Morley-Experiment nachgewiesen. Es war
jedoch lange unklar, wie diese Tatsache zu deuten sei und welche Konsequenzen
sich daraus ergaben.
Erst Albert Einstein zeigte mit seiner "Speziellen
Relativitätstheorie" einen Ausweg aus dem Dilemma. Und er machte
deutlich, welche Auswirkungen diese Unveränderlichkeit hat: Sowohl
die Zeit als auch der Raum verlieren ihre absolute Bedeutung. Die Zeit
verläuft mit zunehmender Geschwindigkeit immer langsamer und ein Gegenstand, der sich mit fast Lichtgeschwindigkeit
bewegt erscheint, einem ruhenden Beobachter verkürzt.
Kernfusion
Ein
Anwendungsbeispiel für " E=mc2 " ist die so genannte Kernfusion. Sowohl die Sonne als auch die Wasserstoffbombe
erzeugen ihre ungeheure Energie, indem sie Masse verbrennen. Die beiden
Wasserstoffatome, die fusioniert werden, wiegen dabei etwas mehr, als das
Endprodukt Helium. Die Massendifferenz entspricht nach Einsteins Formel
genau der frei gewordenen Energie.
Das
Michelson-Morley-Experiment:
Bereits
seit Beginn des 19. Jahrhunderts wusste man, das Licht aus Wellen besteht.
Alle anderen bekannten Wellen waren stets an ein Medium gebunden. Schall
breitet sich in z.B. Luft aus, Wasserwellen im Wasser. Daher nahm man an,
dass auch das Licht an irgendeine Form von Medium gebunden war, das offensichtlich
unsichtbar war. Dieses Medium wurde Lichtäther genannt. Es wurde angenommen,
dass sich der äther selbst in absoluter Ruhe befindet und sich jeder
Körper, also auch die Erde, mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ
dazu bewegt.
Die beiden Physiker Albert Abraham Michelson und Edward
Williams Morley wollten 1887 die Geschwindigkeit der Erde in diesem
äther mit Hilfe von Lichtstrahlen bestimmen. Dafür bauten sie
ein äusserst genaues Messinstrument, ein so genanntes Interferometer.
Die Idee dahinter:
Die Geschwindigkeit des Lichtes wird in zwei verschiedene
Richtungen gemessen, einmal in Bewegungsrichtung und einmal senkrecht dazu.
Das Licht, das sich in dieselbe Richtung bewegt wie die Erde sollte schneller
sein als das Licht senkrecht dazu. Doch so sorgfältig die beiden Forscher
ihre Messungen auch ausführten, sie konnten keinen Unterschied in
der Geschwindigkeit festellen. Die Lichtgeschwindigkeit blieb konstant.
Die einzige mögliche Erklärung die auf der Hand lag war, dass
sich die Erde in Bezug auf den Äther nicht bewegt, aber das wäre
ein zu grosser Zufall gewesen. Eine schlüssige Deutung wurde erst
zwei Jahrzente später von Albert Einstein gefunden, die Spezielle
Relativitätstheorie. Das Michelson-Morley-Experiment ist wahrscheinlich
das bedeutenste missglückte Experiment in der Geschichte der Wissenschaft.
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| Kernphysiker
nutzen die Kenntnisse der Relativitätsheorie |
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| CERN
- Europäische Kernforschung in der Schweiz |
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Im
einem ringförmigen Teilchenbeschleuniger LHC des CERN in der Nähe
von Genf werden Positronen verwendet. Der Ring des Beschleunigers wurde
im Boden gebaut und verläuftüber die Schweizer Landesgrenze hinaus
nach Frankreich und wieder zurück in die Schweiz. Insgesamt halten
über 3'000 Magneten die Teilchen auf ihrer Bahn. Sie zwingen negativ
geladene Elektronen in die eine, und positiv geladene Positronen in andere
Richtung.
Die Teilchen bewegen sich extrem schnell: ein Fussmarsch durch
den Ring würde etwa sieben Stunden dauern; die Elektronen- und Positronenstrahlen
lege diese Strecke mehr als 11'000 mal pro Sekunde zurück. Beinahe
so schnell wie das Licht. Die enorme Energie der Bewegung verwandelt sich
beim Zusammenstoss im Detektor dann auf einen Schlag in neue Materie.
Forscher
aus aller Welt arbeiten am Experiment DELPHI. Dabei wurde unter anderen
Ergebnissen ein neuer, ganz besonderer Zusammenstoss registriert: Aus den
Winzlingen, Elektron und Positron, entstanden 100'000 mal schwerere Teilchen:
ein Zwillingspaar aus Z-Bosonen. Sie haben jedoch nur ein sehr kurzes Leben
(ihre mittlere Lebensdauer ist nur 10-25 s) und zerfallen sofort wieder
in schon bekannte Teilchen: Quarks und Antiquarks.
Die
Physiker werden am CERN noch lange nach neuen Teilchen weitersuchen. Es
sollen Protonen zur Kollision gebracht werden. So werden Zusammenstösse
bei noch höherer Energie möglich und, so hoffen die Forscher,
dadurch ganz neue Teilchen erzeugt.
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