- Die Lichtgeschwindigkeit bleibt für alle Beobachter konstant, unabhängig von ihrer Bewegung. Einsteins spezielle Relativitätstheorie erklärt die konstante Lichtgeschwindigkeit und die Relativität der Zeit. Die Theorie wird durch Experimente wie Michelson-Morley und Maxwells Gleichungen unterstützt. Zeitdilatation beschreibt, wie hohe Geschwindigkeiten die Zeitwahrnehmung relativ verlangsamen. Alltagserfahrungen können Täuschungen über Geschwindigkeiten und Bezugssysteme hervorrufen.
Stellen Sie sich vor, Sie fahren ein Auto mit halber Lichtgeschwindigkeit. Ihre Hände fest am Lenkrad. Sie schalten die Scheinwerfer ein. Wie schnell würden Sie das Licht sehen? Und was würde eine Person am Straßenrand wahrnehmen? Würde sie den Lichtstrahl mit anderthalbfacher Lichtgeschwindigkeit sehen? Aber das kann doch eigentlich nicht sein, denn nichts ist schneller als das Licht. Hier beginnen die Verwirrungen, denn unsere Vorstellungen basieren auf alltäglichen Erfahrungen, und Reisen mit Lichtgeschwindigkeit sind jenseits unserer alltäglichen Erlebnisse. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 3 x 10^8 Meter pro Sekunde, oder einfacher gesagt, sie ist etwa 670 Millionen Meilen pro Stunde schnell. Bei solch extremen Geschwindigkeiten wird die Physik sonderbar.
Einsteins Spezielle Relativitätstheorie
Sowohl der Fahrer als auch die stehende Person würden die Lichtgeschwindigkeit als c messen. Das Auto, als Quelle des Lichts, und die Bewegung der Beobachter spielen hierbei keine Rolle. Albert Einstein sagte dies bereits 1905 voraus, und es ist einer der zentralen Grundsätze seiner speziellen Relativitätstheorie. Obwohl der Begriff “speziell” vielleicht weniger treffend erscheint, hat diese Theorie revolutionäre Konsequenzen: Ist die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Konstante, so ist Zeit relativ. Je schneller man sich durch den Raum bewegt, desto langsamer schreitet die Zeit voran. Auf einem Raumschiff mit unvorstellbarer Geschwindigkeit würde die Uhr langsamer ticken als auf der Erde, und der Reisende würde langsamer altern.
Das alltägliche Beispiel
Der Gedanke, dass alle Beobachter das Licht mit derselben Geschwindigkeit sehen, widerspricht dem Alltagsverstand. Betrachten wir ein einfacheres Szenario: Wenn Sie mit 10 Metern pro Sekunde fahren und jemand einen Tennisball im Auto mit 20 m/s nach vorne wirft, sieht ein Passant den Ball mit 30 m/s fliegen. Warum? Die unterschiedliche Perspektive verändert die Wahrnehmung der Geschwindigkeit. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Bedeutung von “Bezugssystemen”, eines bewegend, das andere ruhend, und doch herrscht ein Konsens über das Endergebnis.
Konzepte der Lichtwellen
Wie kam Einstein zu dieser “verrückten” Idee? Zunächst ist Licht eine elektromagnetische Welle, und Physiker erkannten schon lange, dass Wellen ein Medium benötigen. Doch im Vakuum gibt es kein Medium. Das Experiment von Michelson und Morley 1887 zeigte, dass es keinen “Äther” gibt, durch den Licht reisen würde. Das vermeintlich fundamentale Medium erwies sich als Illusion. Stattdessen wandert Licht selbst durch den leeren Raum dank der Wechselwirkung elektrischer und magnetischer Felder, die sich gegenseitig erzeugen und damit das Licht selbst fortpflanzen.
Maxwells Gleichungen und Bezugssysteme
Maxwells Gleichungen beschreiben diese elektromagnetischen Wellen und verdeutlichen, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig vom Beobachter identisch bleibt. Diese Erkenntnis führte Einstein zur Konzeption der speziellen Relativitätstheorie: Ungeachtet der Bewegungen ist die Lichtgeschwindigkeit konstant. Anders als bei alltäglichen Objekten ist dies bei Licht fundamental anders.
Zeitdilatation
Stellen Sie sich eine Uhr vor, die mit Lichtimpulsen zwischen Spiegeln arbeitet. Im All, bei halber Lichtgeschwindigkeit, sähe ein außenstehender Beobachter diese Impulse längere Wege zurücklegen, was die Uhren langsamer erscheinen lässt, als sie sind. Diese Zeitdilatation erklärt, warum Schnellreisen das Vergehen der Zeit relativ verlangsamt. In ihrem eigenen Bezugssystem bleibt die Uhr jedoch “normal”. Auch bei gewöhnlichen Geschwindigkeiten tritt diese Verzögerung auf, allerdings so marginal, dass sie im Alltag nicht bemerkt wird.
