Geschichte des Relativitätsprinzips

Die Relativität der Bewegung wurde erst im sechzehnten Jahrhundert entdeckt. Das liegt daran, dass es in der irdischen Physik fast nie an äußeren Bezügen zur Messung von Geschwindigkeiten fehlt. Niemand würde auf die Idee kommen, einen Zug oder ein Flugzeug als in Ruhe zu beschreiben, während sich die Erde unter ihm hinwegdreht. Der Kontakt zur Erde oder die Luftreibung sorgen immer dafür, dass zur Aufrechterhaltung einer Bewegung Energie gebraucht wird. So ist Bewegungslosigkeit relativ zu Erde, Luft oder Wasser in der Natur der bevorzugte Zustand. In der Antike und im Mittelalter waren deshalb absolute Beschreibungen der Welt vorherrschend. Es war keine Frage, dass zur Aufrechterhaltung einer Bewegung ständige Kraftausübung notwendig ist und dass der Zustand der Ruhe in der Natur bevorzugt ist.

Anders verhält es sich im luftleeren Weltraum. Für ein frei fliegendes Objekt gibt es kein Medium relativ zu dem die Geschwindigkeit gemessen werden könnte. Man kann nicht entscheiden, ob eines der Himmelsobjekte sich in Ruhe befindet und somit einen Fixpunkt bildet. Die Relativität der Bewegung ist also stark mit der Frage nach dem Mittelpunkt des Universums verknüpft. Nikolaus Kopernikus (1473-1543) gezeigt hatte gezeigt, dass sich die Bewegungen der Himmelskörper leichter erklären lassen, wenn man die Sonne und nicht die Erde als Mittelpunkt des Universums annimmt. Damit warf er ein großes wissenschaftliches Problem auf. Man musste erklären, warum von einer Bewegung der Erde nichts zu bemerken ist. Immerhin hat die Erde relativ zur Sonne eine Geschwindigkeit von etwa 30 km/s.

Gelöst wurde dieses Problem erst ein gutes Menschenleben später von Galileo Galilei (1564-1642), der das Trägheitsprinzip erstmals beschrieb. (Um die selbe Zeit beschrieb Rene Descartes ein etwas anders geartetes Relativitätsprinzip, das jedoch nicht mit Beobachtungen übereinstimmt.) Nach Galileos Relativitätsprinzip bleibt ein Körper in gleichmäßiger Bewegung, wenn er nicht durch eine Kraft beschleunigt wird. Unsere ständige Reise um die Sonne erzeugt also keine Gegenkraft, wie man vor Galileo angenommen hatte. Vielmehr braucht man eine Kraft um den Bewegungszustand der Erde oder eines Objektes auf der Erde zu ändern. Ein System wie die Erde, das gleichmäßig bewegt ist, unterliegt fast den selben physikalischen Prinzipien wie ein ruhendes System. Streng gilt dieses Relativitätsprinzip der Bewegung allerdings nur für die Bahnbewegung der Erde, für die Rotation gilt das Relativitätsprinzip nicht, Rotation ist absolut messbar.

Das Relativitätsprinzip von Galileo hat sich in der Physik so gut bewährt, dass bis heute kaum ein Physiker an seine Richtigkeit zweifelt. Allerdings hat sich Ende des 19. Jahrhunderts gezeigt, dass die 1861-64 von James Clerk Maxwell (1831-1879) entwickelte Theorie der elektromagnetischen Wellen eine Modifikation der Relativitätsgesetze notwendig machte. 1905 begründete Albert Einstein (1879-1955) aufgrund von Symmetriebetrachtungen die spezielle Relativitätstheorie, die er 1915 zu einer allgemeinen Theorie der Schwerkraft, die allgemeine Relativitätstheorie, erweiterte.

Die zentrale Änderung, der speziellen Relativitätstheorie Einsteins im Vergleich zu Galileos Relativitätsprinzip, ist die Änderung des Transformationsgesetzes zwischen unterschiedlich zueinander bewegten Beobachtungsstandpunkten. Wenn Bewegungen nur relativ wahrgenommen werden können, ist es notwendig eine Regel anzugeben wie Relativgeschwindigkeiten ineinander Transformiert werden sollen. Auf der übernächsten Seite möchte ich die beiden Transformationsvorschriften des Relativitätsprinzips, die Galileotransformation und die Lorentztransformation vorstellen. Zunächst aber werde ich die vierdimensionalen Koordinatensysteme einführen, auf denen Galileos und Einsteins Tramsformationen stattfinden.

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Letzte Änderung: 22.06.2011

© Joachim Schulz

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