Relativitätsprinzip

In der Physik ist das Relativitätsprinzip die Voraussetzung dafür, dass die Gleichungen, die die physikalischen Gesetze beschreiben, mit allen Bezugsrahmen identisch sind.

300 v. Chr. dachte der griechische Philosoph Aristoteles, dass schwere Objekte schneller fallen als nicht schwere Objekte. Die Naturwissenschaft des Aristoteles war im westlichen Denken 2.000 Jahre lang am populärsten.

Im Jahr 1600 bewies der italienische Astronom Galileo Galilei, dass alle Objekte mit der gleichen Beschleunigung fallen. Je länger sich ein Objekt mit konstanter Beschleunigung bewegt, desto höher ist also seine Endgeschwindigkeit. Auch wenn verschiedene Objekte mit jeweils unterschiedlicher Masse aus der Ruhelage (Anfangsgeschwindigkeit ist Null) auf gleicher Höhe im Vakuum fallen gelassen werden, treffen sie unabhängig von ihrer Masse alle mit der gleichen Geschwindigkeit auf den Boden. Die experimentellen Entdeckungen von Galileo und die von Newton mathematisch entwickelten Bewegungsgesetze brachten die moderne Wissenschaft hervor.

Galileos Relativitätsprinzip besagt: "Es ist unmöglich, mit mechanischen Mitteln zu sagen, ob wir uns bewegen oder in Ruhe bleiben". Wenn sich zwei Züge mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegen, kann ein Fahrgast in beiden Zügen nicht feststellen, dass sich einer der beiden Züge bewegt. Nimmt der Fahrgast jedoch einen festen Bezugsrahmen, einen festen Punkt wie die Erde, dann kann er die Bewegung eines der beiden Züge wahrnehmen. Und noch etwas: Wenn man auf der Erde steht, kann man nicht sehen, dass sie sich bewegt.

Dieses Prinzip ist nur der Beobachtung entnommen. Wenn wir zum Beispiel mit einem Flugzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit reisen, können wir durch das Innere des Flugzeugs gehen, ohne etwas Besonderes zu bemerken.

Aus praktischer Sicht bedeutet dies, dass die Newtonschen Bewegungsgesetze in allen Inertialsystemen gültig sind, d.h. in ruhenden Systemen oder in Systemen, die sich mit konstanter Geschwindigkeit relativ zu einem im Ruhezustand betrachteten System bewegen. Dies ist das Trägheitsgesetz: Ein ruhender Körper setzt sich im Ruhezustand fort, und ein in Bewegung befindlicher Körper setzt seine Bewegung in gerader Linie fort, sofern er nicht durch eine äußere Kraft beeinflusst wird. Ein galiläisches Koordinatensystem ist ein System, in dem das Trägheitsgesetz gültig ist. Die Mechanikgesetze von Galileo und Newton sind in einem galiläischen Koordinatensystem gültig. Wenn K ein galiläisches Koordinatensystem ist, dann ist jedes andere System K' ein galiläisches Koordinatensystem, wenn es in Ruhe liegt oder sich nach dem Trägheitsgesetz relativ zu K bewegt. Relativ zu K' sind die mechanischen Gesetze von Galileo und Newton ebenso gültig wie relativ zu K.

Wenn K' relativ zu K ein Koordinatensystem Trägheitsgesetz bewegt und frei von Rotation ist, dann gehorchen die Naturgesetze in K' den gleichen allgemeinen wie in K. Diese Relativitätsprinzip bezeichnet.

Mit anderen Worten, wenn eine Masse m in einer geraden Linie relativ zu einem galiläischen Koordinatensystem K ruht oder sich mit konstanter Beschleunigung (die konstante Beschleunigung könnte gleich Null sein, in diesem Fall würde die Geschwindigkeit konstant bleiben) bewegt, dann ruht sie auch oder bewegt sich mit konstanter Beschleunigung in einer geraden Linie relativ zu einem zweiten Koordinatensystem K', vorausgesetzt, das Trägheitsgesetz ist im System K' gültig (mit anderen Worten, vorausgesetzt, es handelt sich um ein galiläisches Koordinatensystem).

Wenn wir also einen Effekt in einem sich bewegenden System mit konstanter Geschwindigkeit beobachten wollen, können wir die Newton'schen Gesetze direkt anwenden. Wenn sich das bewegte System beschleunigt (oder wir relativ dazu beschleunigen, wie beim Betrachten der Sterne von der Erde aus), dann müssen wir imaginäre Kräfte einführen, um diesen Effekt zu kompensieren.

Diese fiktiven Kräfte werden Zentrifugalkraft und Corioliskraft genannt.

Die Newton'schen Bewegungsgesetze sind mechanisch genau für Geschwindigkeiten, die im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit langsam sind. Für Geschwindigkeiten, die sich der Lichtgeschwindigkeit annähern, ist es notwendig, die Entdeckungen der Speziellen Relativitätstheorie von Einstein anzuwenden.

Um zu beschreiben, was im Universum mechanisch passiert, verwenden die Physiker Masse, Länge und Zeit. In der Physik von Galileo und Newton bleiben diese Größen im gesamten Universum gleich.

Mit Einsteins Spezieller Relativitätstheorie können sich diese Größen ändern.

Fragen und Antworten

F: Was ist das Relativitätsprinzip?

A: Das Relativitätsprinzip besagt, dass die Gleichungen, die die Gesetze der Physik beschreiben, in allen Bezugssystemen gleich sind.

F: Wer hat dieses Prinzip zuerst vorgeschlagen?

A: Der griechische Philosoph Aristoteles schlug dieses Prinzip erstmals 300 v. Chr. vor.

F: Was hat Galileo Galilei bewiesen?

A: Galileo Galilei bewies, dass alle Objekte mit der gleichen Beschleunigung fallen, unabhängig von ihrer Masse.

F: Wie begründeten Galileis Entdeckungen die moderne Wissenschaft?

A: Galileos Entdeckungen und Newtons Bewegungsgesetze, die mathematisch entwickelt wurden, begründeten die moderne Wissenschaft.

F: Was bedeutet es, wenn sich zwei Züge mit derselben Geschwindigkeit in dieselbe Richtung bewegen?

A: Wenn sich zwei Züge mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegen, kann ein Fahrgast in einem der beiden Züge nicht bemerken, dass sich einer der beiden Züge bewegt. Nimmt er jedoch einen festen Bezugsrahmen (wie die Erde), kann er die Bewegung des Zuges wahrnehmen.

F: Wie werden die Newtonschen Gesetze angewendet, wenn sich die Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit nähert?

A: Bei Geschwindigkeiten, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, ist es notwendig, Einsteins Spezielle Relativitätstheorie anstelle der Newtonschen Bewegungsgesetze anzuwenden, da diese Gesetze nur für Geschwindigkeiten, die im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit langsam sind, mechanisch genau bleiben.