Relativitätstheorie relativ anschaulich

Tempolimit Lichtgeschwindigkeit

Überblick Visualisierung der Speziellen Relativitätstheorie

Die Lichtgeschwindigkeit ist mit knapp 300 000 km/s oder rund einer Milliarde km/h extrem viel größer als jede Geschwindigkeit in unserem Alltag. Die Lichtgeschwindigkeit ist aber nicht einfach nur eine hohe Geschwindigkeit. In Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie von 1905 kommt zum Ausdruck, dass sie eine Grenzgeschwindigkeit ist: Sie ist das kosmische Tempolimit, das von keinem massebehafteten Objekt erreicht oder gar überschritten werden kann. Bei Annäherung an dieses Tempolimit werden relativistische Effekte wichtig, die bei Alltagsgeschwindigkeiten unmessbar klein sind.
In der Computersimulation können wir solche Bewegungen "erleben": Wir beobachten Objekte, die fast lichtschnell vorbeifliegen. Oder umgekehrt: Wir reisen selber mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und schauen uns dabei um. Ob wir den Beobachter oder das Objekt als bewegt betrachten ist insofern egal, als in beiden Fällen derselbe Film entsteht (Relativitätsprinzip). Die Erklärung ist allerdings je nach Standpunkt verschieden. Deshalb, und weil es einfach natürlicher ist, beispielsweise Häuser als ruhend und Radfahrer als bewegt zu betrachten als umgekehrt, gehen wir hier auf beide Standpunkte separat ein.

Teil I: Das Aussehen schnell bewegter Objekte

Im Hauptbeitrag Bewegung am kosmischen Tempolimit beobachten wir verschiedene Objekte in fast lichtschneller Bewegung. Dass bewegte Maßstäbe manchmal längenkontrahiert aussehen, meistens aber nicht und dass eine Würfelseite, die uns zugewandt ist, deswegen noch lange nicht sichtbar sein muss, sind Lichtlaufzeiteffekte, die mit Animationen erklärt werden. Weiter geht es um Farbänderungen bei schneller Bewegung und um fast lichtschnelle Objekte, die im Weltraum tatsächlich beobachtet werden.
 
Wie sich die Lichtlaufzeiten auswirken, wird in Bewegung am kosmischen Tempolimit - Didaktisches Material an einfachen Spezialflällen vorgerechnet und durch sechs Übungsaufgaben mit Lösungen vertieft.
 
Zum relativistischen Fussballspiel geht es in Der Ball ist rund. Zu sehen ist auch, wie man sich einen fast lichtschnellen Fussball vor Einsteins Relativitätstheorie hätte vorstellen müssen. Animationen erklären die Lichtlaufzeiteffekte.
 
Hier ist die allgemeine mathematische Beschreibung für das Aussehen relativistisch bewegter Objekte zu finden.
 
In Was Einstein noch nicht sehen konnte finden Sie weitere Simulationen schnell bewegter Objekte. Die wichtigsten Effekte (scheinbare Längenänderung, Drehung und Verzerrung) werden anschaulich erklärt. Außerdem zwei Beispiele, in denen es der Beobachter ist, der sich schnell bewegt: Wir fliegen am Saturn und an der Sonne vorbei.
 
Rollende Räder führen eine komplexere Bewegung aus, in der sich alle oben beschriebenen Lichtlaufzeiteffekte wiederfinden lassen.
 
Brightness and color of rapidly moving objects: The visual appearance of a large sphere revisited (auf Englisch) gibt eine genaue Erklärung und mathematische Formulierung der Änderungen von Farbe und Helligkeit.
Diese gilt auch für den Fall, dass es der Beobachter ist, der sich bewegt (Relativitätsprinzip).
 

Teil II: Beobachtungen auf Hochgeschwindigkeitsflügen

Der Hauptbeitrag Fast lichtschnell durch die Stadt spielt in einer virtuellen Welt, in der die Lichtgeschwindigkeit so gering ist, dass wir sie bereits auf dem Fahrrad beinahe erreichen können. So radeln wir fast lichtschnell durch die Tübinger Altstadt. Die verblüffenden Bilder beruhen auf dem Phänomen der Aberration, das auf anschauliche Weise erklärt wird.
 
Ein weiteres Beispiel für Beobachtungen bei Hochgeschwindigkeitsflügen ist ein simulierter Flug durch das Brandenburger Tor. Hier finden Sie außerdem eine Herleitung der Aberrationsformel und eine kurze Anleitung für eigene Computersimulationen.
 
Relativistischer Flug durch ein Gitter ist eine interaktive Simulation, in der Sie die Fluggeschwindigkeit frei wählen können. Das Java-Programm kann als Startpunkt für eigene Computersimulationen dienen.
Dies ist gleichzeitig die interaktive Simulation eines bewegten Gitters aus der Sicht eines ruhenden Beobachters (Relativitätsprinzip).
 
Weitere Informationen finden Sie in den folgenden Beiträgen, deren Hauptthema zu einem anderen Themenbereich gehört:
 
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AutorInnen: Ute Kraus, Corvin Zahn, Datum: 2013-10-24 01:03:37
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