Kannst Du wirklich den Zusammenhang zwischen Zeitdilatation, Raumkontraktion, Raumkrümmung und den Lichtgeschwindigkeit konstant haltenden Effekt so erklären, dass auch ein Anfänger das Wesen des physikalischen Vorgangs erfassen kann?
Ich versuch's mal "Kindgerecht" mit der speziellen Relativitätstheorie zu erklären, aber bitte nicht gleich rummeckern, dass ich die Sache zu weit vereinfache, aber anders geht es meiner Meinung nach das Wesen der Relativitätstheorie nicht runter zu brechen auf Kindgerecht. Wer die richtige Geschichte kennt, der wird sicherlich die Stellen sofort bemerken, wo ich es extrem vereinfacht habe. Aber das Wesen hinter der Geschichte sollte eigentlich erhalten geblieben sein ...
Also schauen wir uns mal folgende "einfache" Gleichungen an :
1 + 1 = 2
1 + 2 = 3
1 + 3 = 4
1 + 4 = 5
...
und so weiter ... Das müsste eigentlich noch jeder verstehen ...
Jetzt wird es etwas schwieriger :
1 + 1000 = 1001
Und jetzt wird es ganz wild ! Es gab mal einen Physiker, der wollte das im Experiment nachprüfen, ob da wirklich immer 1001 raus kommt. Also machte er ein Experiment, das machen Physiker so, wenn sie etwas nachprüfen wollen. Der Physiker hieß übrigens Michelson ...
Michelson baute sein Experiment auf und staunte nicht schlecht, als er das Ergebnis = 1000 und nicht 1001 bekam. Natürlich war im sofort klar, das er Mist gebaut hatte, denn da konnte unmöglich 1000 raus kommen, wie jeder weis.
Also stellte er einen weiteren Mitarbeiter ein, der ihm helfen sollte, dass Experiment zu verbessern und noch mal genauer zu messen. Es konnte sich eigentlich ja nur um einen blöden Messfehler handeln ...
Der Mitarbeiter hieß Morley und gemeinsam verbesserten sie ihr Experiment. Aber egal, wie viel Mühe sie sich in den nächsten 7 Jahren gaben, es kam immer das gleiche blöde Ergebnis von 1000 raus, niemals 1001!
Wenn ich 7 Jahre immer den gleichen blöden Mist rausbekommen hätte, ich hätte wohl an meiner Intelligenz gezweifelt und das dumme Experiment in die Ecke geschmissen und nie wieder drüber geredet ...
Aber die beiden Wissenschaftler waren sich sicher, dass es nicht an ihrer Unfähigkeit liegen würde, sondern an einer Eigenart des Experimentes. Irgend wie wollte die Natur nicht, das bei diesem speziellen Experiment 1001 raus kommt. Bei allen anderen Experimenten kommt sicherlich 1001 raus, aber nicht bei dem, warum auch immer ...
Also veröffentlichten sie ihre Arbeit in einer wissenschaftlichen Zeitschrift, damit sich andere Leute drüber den Kopf zerbrechen können. Natürlich haben die anderen Wissenschaftler das Experiment nachgeprüft und staunten nicht schlecht, als sie auch immer 1000 raus bekamen ...
Was für ein blödes Experiment, das immer folgendes Ergebnis liefert:
"1 + 1000 = 1000"
An dieser Stelle sei angemerkt, das es später den Nobelpreis für dieses Experiment mit diesem komischen Ergebnis gab und das heute beim Experiment auch noch immer 1000 raus kommt.
Die Physiker mussten sich nun damit abfinden, das immer 1000 bei diesem Experiment heraus kommt. Das ist nicht schön, aber nun mal nicht zu ändern.
Nun geht die Geschichte weiter, mit einem Mitarbeiter in einem Schweizer Patentamt. Der Mitarbeiter im Patentamt war eigentlich theoretischer Physiker, aber er hatte keinen besseren Job gefunden und musste dort arbeiten. Da er leicht überqualifiziert für den Job war, konnte er nachmittags immer ein Nickerchen machen, weil er die anliegenden Arbeiten schon vormittags abgearbeitet hatte. Und dabei konnte er auch über diese blöde Gleichung nachdenken:
"1 + 1000 = 1000"
Diese Gleichung sieht doch echt Scheiße aus, oder? Jedenfalls kann man sie so Niemanden zeigen. Jeder Mathematiker würde sich im Grabe umdrehen bei der Gleichung, die eigentlich keine ist. So wie sie da steht, ist sie einfach falsch, falsch, falsch, ...
Also überlegte der Angestellte des Patentamtes mit dem Namen Albert, ob man da nicht was hinschummeln könnte, so dass die Gleichung wieder "hübsch" aussehen würde.
"Hinschummeln" ist in dieser super vereinfachten Geschichte von mir wirklich das richtige Wort, wie ich finde. Also überlegte Albert, wo man da schummeln könnte ...
Also an der "1" konnte er nicht schummeln, denn das war ein Messwert und da schummelt man nun mal nicht rum als Physiker. Auch an der "1000" auf der linken und der rechten Seite der Gleichung gab es nix zu schummeln, denn das waren auch "Messwerte". Dann blieb nur noch das "=" und das "+" in der Gleichung zum Schummeln. Das "=" brauchte er aber auch, sonst würde das Ding nicht mehr "Gleichung" heißen, denn jede Gleichung braucht nun mal ein Gleichheitszeichen ...
Wie man sieht, konnte er wenn überhaupt nur noch am "+" herumschummeln, und genau das tat Albert!
Er überlegte sich, ob er nicht einen "Schummelfaktor" in die Gleichung für die Summe der beiden Zahlen einbauen konnte, so das sie wieder hübsch aussehen würde.
Das mit dem Schummeln klingt einfach, ist es aber nicht! Man muss richtig schummeln, damit die Schummelei nicht auffällt und man sich nicht in Widersprüche verstrickt.
Das erste Schummelproblem bestand darin, einen "universellen" Schummelfaktor sich auszudenken, der in jeder Gleichung vorkommt und funktioniert, also bei "1 + 1 = 2" genauso wie bei "1 + 1000 = 1000".
Als ausgebildeter Theoretischer Physiker war das aber ein lösbares Problem für ihn. Das wirklich witzige an der Geschichte kam jetzt erst ...
Wie jeder weis, der schon mal gelogen hat, braucht man meist mehrere Lügen, um eine Lüge zu decken und damit man nicht auffliegt mit der Geschichte. Nun, an dieser Stelle der Geschichte müssen wir mal etwas Physik ins spiel bringen ...
Also die Zahlen 1 und 1000 in unserer Geschichte waren nicht wirklich die Werte, um die es in dem Experiment ging. Die habe ich nur zur Vereinfachung verwendet. Es handelte sich eigentlich um 2 Geschwindigkeiten, die addiert werden sollten im Experiment. Die Zahlen 1 und 1000 stehen hier für "v" und "c". "c" ist die Lichtgeschwindigkeit, also eine sehr große Zahl, bei mir die 1000. Und "v" war die Geschwindigkeit der Erde um die Sonne, also eine deutlich kleinere Zahl, bei mir in der Geschichte die "1".
Jetzt muss man noch wissen, dass Geschwindigkeit immer ein Verhältnis von einer Strecke und einer Zeit ist. Also in der Schule sagt man: "Geschwindigkeit ist Weg dividiert durch Zeit".
Albert hatte nun bei der Addition zweier Geschwindigkeiten geschummelt, damit die Gleichung wieder schön aus sah und hatte einen Schummelfaktor dafür ausgerechnet. Und jetzt kam sein cooler Gedanke:
"Wenn Geschwindigkeit gleich Weg durch Zeit ist, dann muss ich auch beim Weg und bei der Zeit schummeln. Anderenfalls fliegt meine Schummelei auf !"
Also was macht Albert? Er rechnet fix noch einen passenden Schummelfaktor für Wege und für Zeiten aus. Problem gelöst !!!
Ähhh ... Wie bitte ????
Einen Schummelfaktor für Strecken und für Zeiten ??? Wozu das denn ??? Bei Wegen und Zeiten schummelt die Natur doch gar nicht? Nur bei dem dummen Experiment mit der Addition der Geschwindigkeiten schummelt die Natur sich eine "1000" zurecht.
Doch, sagte sich Albert! Ich habe die blöde Idee, das die Natur auch bei Wegen und bei Zeiten schummeln müsste, wenn ich richtig liege mit meiner Schummelei!
Also behauptete Albert frech, dass es so etwas wie "Längenkontraktion" in der Natur geben müsste, damit die Schummelei mit dem Weg aufgeht und dann müsste es noch etwas geben, das nennt sich "Zeitdilatation". Das müsste die Natur auch so machen, sonst würde sich die Natur mit sich selbst widersprechen.
Coole Behauptung von Albert, würde ich sagen. Und als Albert dann den Nobelpreis bekam, da bekam er ihn für was anderes verliehen, was er früher mal gemacht hatte. An diese "Schummelei", genannt spezielle Relativitätstheorie glaubte man noch nicht so recht.
Aber ein paar Jahre später machten die Physiker Experimente, um nachzuprüfen, ob Albert recht hatte und die Natur tatsächlich auch bei Wegen und Zeiten schummeln würde. Und was kam da raus bei den Experimenten? Albert hatte zu 100% ins Schwarze getroffen! Die Natur schummelte auch bei Wegen und bei Zeiten, genau so wie Albert es vorhergesagt hatte. Wahnsinn!!!
Und was ist jetzt mit der Erklärung der spezielle Relativitätstheorie ? Nun, bis zum heutigen Tage weis niemand, warum die Natur auf solch einen Schummelfaktor besteht. Warum möchte sie nichts haben, das über "1000" ist. Warum können wir keine Geschwindigkeit erzeugen, die über der Lichtgeschwindigkeit liegt? Wir Physiker wissen es nicht, aber wir haben uns damit abgefunden, das es so ist und wir haben dank Albert Einstein nun auch Formeln, die das so für uns "hinschummln" ...
Ja, und das mit der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert, das ist dann eine weitere Geschichte über die Gravitation, wo Albert sich auch wieder eine Schummelei ausdenken musste, genannt "Kosmologische Konstante", damit das alles für ihn einen Sinn machte ...
Aber das ist dann eine andere Geschichte ...