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.
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.
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.
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:
Der einfachste Zugang zur Aberration, anknüpfend an Alltagserfahrungen,
wird in
Reiseziel: Schwarzes Lochbeschrieben.
