Relativitätsprinzip

8. April 2017, 21:58

Heute ist der Begriff Relativität untrennbar mit dem Namen Einsteins verbunden, tatsächlich aber spielte er bereits seit dem 17. Jahrhundert eine entscheidende Rolle, in der Physik Galileis und Mechanik Newtons. Das klassische Relativitätsprinzip wurde durch Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (SRT) lediglich korrigiert bzw. von mechanischen auf elektrodynamische Prozesse erweitert.

Der Begriff Relativität beinhaltet zunächst einmal nichts weiter als die Frage, wie die Gesetze der Physik verschiedenen Beobachtern erscheinen, die sich "relativ" zueinander bewegen. Dabei gilt, dass in allen geradlinig und gleichförmig bewegten Systemen (Inertialsystemen), unter denen keines ausgezeichnet ist, alle physikalischen Vorgänge durch dieselben Gleichungen beschrieben werden.

Naturgesetze erscheinen allen Beobachtern gleich

Die Naturgesetze erscheinen allen Beobachtern in freier Bewegung also gleich. Ein Stein wird stets senkrecht zu Boden fallen, egal, ob wir unbewegt an einer Bushaltestelle stehen oder uns im vorbei fahrenden Bus mit 50 Stundenkilometer relativ zu ihr bewegen. Dieses Relativitätsprinzip formulierte erstmals Galileo Galilei in seinem 1632 gedruckten Werk "Dialog über die beiden hauptsächlichen Weltsysteme".

Die Relativitätstheorie verdankt ihren Namen einem Prinzip, dem zufolge nur relative Bewegungen von physikalischer Bedeutung sind. Heute ist uns dieses Relativitätsprinzip vertraut, auch wenn wir gelegentlich darüber staunen, etwa beim Zug fahren.

Jeder hat wohl schon einmal folgende Situation erlebt: Man sitzt in einem Zug, der im Bahnhof hält. Auf dem Nachbargleis steht ebenfalls ein Zug. Plötzlich, so meinen wir, fahren wir langsam los, denn die anderen Waggons bewegen sich aus unserem Blickfeld hinaus. Schließlich sind sie ganz verschwunden, doch zu unserem Erstaunen haben nicht wir den Bahnhof verlassen, sondern der Zug gegenüber. Im Nachbarzug haben vermutlich einige Reisende genau das Gegenteilige wahrgenommen und gemeint, sie würden stehen bleiben und wir uns bewegen.

Geschwindigkeiten sind immer relativ

Geschwindigkeiten sind immer relativ, sie lassen sich eindeutig messen, sofern man ein Bezugssystem angibt. Beispiel Autobahn: Wenn bei einem Überholmanöver zwei LKWs für kurze Zeit mit jeweils 90 Stundenkilometer nebeneinander herfahren, bewegen sie sich relativ zueinander überhaupt nicht, sie haben also die Relativgeschwindigkeit 0 Stundenkilometer.

Relativ zu einem Fahrer, der auf der Gegenfahrbahn mit 100 Stundenkilometer unterwegs ist, bewegen sich die beiden LKWs allerdings mit einer Geschwindigkeit von 190 Stundenkilometer. Entscheidend ist, dass alle Bezugssysteme, sowohl jenes des Pkws und jenes der beiden Lkws gleichberechtigt sind. Begibt man sich von einem System in das andere, so müssen die Geschwindigkeiten addiert bzw. subtrahiert werden. In der Physik nennt man das eine Galilei-Transformation.

Dieses unmittelbar einleuchtende Additionsgesetz von Geschwindigkeiten übernahm Isaac Newton in seinem 1687 erschienenen Fundamentalwerk "Principia Mathematica". Es galt nach der Mechanik Newtons für sämtliche Bewegungen im Universum. Einstein postulierte im Rahmen seiner SRT, dass diese Additionsregel nicht für die Lichtgeschwindigkeit gilt.

Das Licht hat in jedem Bezugssystem den konstanten Wert von ungefähr 300 000 km/s. Die Lichtgeschwindigkeit c ist sowohl vom Bewegungszustand der Lichtquelle als auch von jenem des Beobachters unabhängig und somit eine Naturkonstante und Grenzgeschwindigkeit im Universum. Von dieser Prämisse der SRT leitete Einstein in der Folge die Relativität von Raum und Zeit ab. Als absolute Größe im Universum verblieb die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.