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Es gibt in der klassischen Physik und in der Relativitätstheorie eine Reihe von Größen, die ihren Wert bzw. ihre Form nicht ändern, wenn man von einem Inertialsystem in ein anderes übergeht. Solche Größen werden als invariante Größen bezeichnet. Auch für Gesetze gibt es eine Invarianz. Die Bestimmung von invarianten Größen bzw. Gesetzen trägt dazu bei, physikalische Phänomene und Zusammenhänge besser zu verstehen.

In der klassischen Physik hat die Länge eines Körpers und damit der Abstand zweier Punkte einen bestimmten, stets gleichen Wert. In der Relativitätstheorie dagegen zeigt sich, dass die Länge eines Körpers vom Bezugssystem abhängig ist. Längenkontraktion bedeutet:
In seinem Ruhesystem hat ein Körper seine größte Länge, die Eigenlänge. In einem dazu bewegten System ist die Länge um den Faktor $1/k=\sqrt{1-v^2/c^2}$ (Kehrwert des LORENTZ-Faktors) geringer.

Um in einem Inertialsystem die Gleichzeitigkeit des Eintretens von Ereignissen registrieren zu können und die Zeiten für das Eintreten von Ereignissen von verschiedenen Inertialsystemen aus bewerten zu können, führte ALBERT EINSTEIN Lichtuhren ein. Eine Lichtuhr ist eine Anordnung, bei der die Laufzeit von Licht zum Messen von Zeiten genutzt wird. Dabei wird vom Postulat der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ausgegangen, einem der beiden Grundpostulate der speziellen Relativitätstheorie.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung seiner Elektronentheorie beschäftigte sich der niederländische Physiker HENDRIK ANTOON LORENTZ auch mit der Elektrodynamik bewegter Körper und mit der Deutung des MICHELSON-MORLEY-Experiments. Er entwickelte 1895 auf der Grundlage der klassischen Vorstellungen Gleichungen, die es ermöglichten, die räumlichen und zeitlichen Koordinaten von einem Inertialsystem in ein anderes umzurechnen. Diese Gleichungen werden als LORENTZ-Transformationsgleichungen oder als LORENTZ-Transformation bezeichnet. Die richtige physikalische Deutung erhielten sie 10 Jahre später durch ALBERT EINSTEIN in seiner speziellen Relativitätstheorie.

* 19.12.1852 in Strelno bei Posen
† 09.05.1931 in Pasadena (Kalifornien)

Er war ein bedeutender US-amerikanischer Physiker, der sich vor allem Verdienste in der experimentellen Physik erwarb. Mit einem von ihm entwickelten Interferometer versuchte er die Existenz eines Äthers nachzuweisen und damit eine Grundannahme der klassischen Physik zu bestätigen. 1907 erhielt er für seine optischen Präzisionsinstrumente und seine damit ausgeführten spektroskopischen und metrologischen Untersuchungen den Nobelpreis für Physik.

Die Experimente, die MICHELSON 1881 und später zusammen mit E. W. MORLEY durchführte, dienten dem Nachweis der Existenz eines ruhenden Äthers, in dem sich die Erde bewegt.
Alle mit hoher Genauigkeit durchgeführten Experimente hatten ein negatives Ergebnis. Ein Beleg für die Existenz eines ruhenden Äthers wurde nicht gefunden. Die Ergebnisse der Experimente waren aber ein wichtiger Anstoß, über die bis dahin allgemein anerkannte Ätherhypothese neu nachzudenken.

MINKOWSKI-Diagramme, auch Raum-Zeit-Diagramme genannt, sind von dem deutschen Mathematiker HERMANN MINKOWSKI (1864-1909) entwickelte Diagramme zur anschaulichen Beschreibung der Bewegung eines Körpers (Massepunktes) in Raum und Zeit. Bei der Bewegung eines Massepunktes entsteht im Diagramm eine Linie (Weltlinie), wobei jeder Punkt der Weltlinie einem bestimmten Ort und einem bestimmten Zeitpunkt entspricht. Ein solcher Punkt wird als Weltpunkt bezeichnet.

Myonen sind Elementarteilchen, die wie die Elektronen zur Gruppe der Leptonen gehören. Sie habe jedoch eine wesentlich größere Masse als die Elektronen und sind instabil mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von $\tau =\mathrm{2,2}\text{μs}$ bzw. einer Halbwertszeit von $T=\mathrm{1,52}\text{μs}$.
Experimentell kann man nachweisen, dass sehr schnelle Myonen, die z.B. Bestandteil der durch Höhenstrahlung entstehenden Sekundärstrahlung sind oder in Beschleunigern erzeugt werden können, eine wesentlich größere Lebensdauer bzw. Halbwertszeit haben. Ursache dafür ist die Zeitdilatation.

Auffassungen über Raum und Zeit entwickelten schon die Philosophen der Antike. Entscheidende Schritte wurden mit der Herausbildung der klassischen Mechanik gegangen, insbesondere mit den Arbeiten von ISAAC NEWTON. Er postulierte einen absoluten Raum und eine absolute Zeit. Beide sollten unendlich ausgedehnt sein und unabhängig voneinander existieren. Erst ab Ende des 19. Jahrhunderts wurden diese Auffassungen infrage gestellt und mit der Relativitätstheorie von EINSTEIN neue Auffassungen über Raum und Zeit entwickelt.

In der klassischen Physik wird davon ausgegangen, dass es einen absoluten Raum und unabhängig davon eine absolute Zeit gibt. Aus relativistischer Sicht sind weder Raum noch Zeit absolut, sondern untrennbar miteinander verknüpft und abhängig vom jeweiligen Bezugssystem. Diese neuen Auffassungen über Raum und Zeit wurden von ALBERT EINSTEIN am Anfang des 20. Jahrhunderts im Rahmen seiner Relativitätstheorie entwickelt. Sie führten auch zu einem neuen Verständnis der Begriffe Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft.

Mit der relativistischen Deutung der Masse ergibt sich für die Relativitätstheorie auch ein relativistischer Impuls, der berechnet werden kann mit der Gleichung:

$\overrightarrow{p}=m(v)\cdot \overrightarrow{v}=\frac{m_0}{\sqrt{1-v^2/c^2}}\cdot \overrightarrow{v}=k\cdot m_0\cdot \overrightarrow{v}$

Mit dem relativistischen Impuls kann auch der Kraftbegriff relativistisch dargestellt werden.

Die Frage, ob zwei Ereignisse an verschiedenen Orten gleichzeitig stattfinden, ist nicht nur von theoretischem, sondern auch von praktischem Interesse. So benötigt man z.B. für viele Anwendungen (Satellitennavigationssysteme, Steuerung von Raumflugkörpern) eine weltweit abgestimmte Zeitskala, die durch Synchronisation von Atomuhren realisiert wird. Allgemein gilt:
Zwei Ereignisse an voneinander getrennten Orten erfolgen in einem Inertialsystem dann gleichzeitig, wenn das zur Zeit der Ereignisse ausgesendete Lichtsignal sich in der Mitte ihrer Verbindungslinie trifft.

Die Masse ist ein Maß für die Schwere und die Trägheit eines Körpers. In der klassischen Physik wird sie als konstant angesehen. In der speziellen Relativitätstheorie ist es möglich, sie als abhängig von der Geschwindigkeit zu interpretieren, um experimentelle Tatsachen zu erklären. Für diese relativistische Masse $m_{\text{rel}}$ gilt dann:

$$m_\text{rel}=\frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$$Mittlerweile wird diese Interpretation allerdings vermieden. In der aktuellen Forschung wird die Masse auch in Bezug auf die Relativitätstheorie als konstant angenommen.

In der klassischen Physik setzt sich die Energie eines Körpers additiv aus den Energieformen zusammen, die er hat. Masse und Energie sind voneinander unabhängige Größen.
In relativistischer Betrachtungsweise spielt wegen der Äquivalenz von Masse und Energie die Masse des Körpers für die ihm zuzuordnende Energie eine wichtige Rolle. Dabei ist zwischen seiner Ruheenergie und seiner Gesamtenergie zu unterscheiden.

1982 wurde erstmals die bis dahin den Militärs vorbehaltene Satellitennavigation der Allgemeinheit zugänglich gemacht. Inzwischen gibt es eine Reihe von Systemen, die für die zivile Nutzung entwickelt wurden.
Mithilfe des Global Positioning System (GPS), eines spezielle Satellitennavigationssystems, lassen sich rund um die Uhr an jedem Punkt der Welt und bei jedem Wetter Angaben über eine genaue dreidimensionale Position (Länge, Breite, Höhe) sowie Geschwindigkeit und Zeit machen.

ALBERT EINSTEIN, der 1905 die spezielle Relativitätstheorie veröffentlichte, stellte selbst die wichtigste Inhalte dieser Theorie in vielen Vorträgen und Veröffentlichungen dar. Dabei versuchte er die Grundgedanken der neuen Theorie in möglichst einfacher und gut überschaubarer Weise zu formulieren. Ein Beispiel dafür sind die nachfolgenden Auszüge aus einer Arbeit von ihm, die 1916 unter dem Titel „Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie“ veröffentlicht wurde.

Die von Albert Einstein entwickelte spezielle Relativitätstheorie führte zu neuen Vorstellungen von Zeit und Raum. Die Äquivalenz von Masse und Energie ist die Grundlage für das Verständnis von Kernumwandlungen und den damit verbundenen energetischen Prozessen. Die von Einstein vorhergesagte Ablenkung von Licht an großen Massen wurde durch astronomische Beobachtungen bestätigt. Moderne Kommunikationstechnik wie GPS wäre ohne Kenntnis der Relativitätstheorie nicht möglich gewesen. Im Test können Sie Ihre Kenntnisse über ausgewählte Bereiche der Relativitätstheorie prüfen.

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In der klassischen Physik wird von einer absoluten Zeit ausgegangen, die überall gleichmäßig verläuft. In der speziellen Relativitätstheorie dagegen ist der Zeitbegriff zu relativieren. Die Zeit ist nicht absolut, sondern es gilt vielmehr: Eine bewegte Uhr geht langsamer als eine ruhende Uhr. Ein physikalischer Vorgang dauert in seinem Ruhesystem nicht so lange wie der gleiche Vorgang in einem dazu bewegten System. Diese Erscheinung wird als Zeitdilatation bezeichnet.

Die Relativität der Zeitmessung wird häufig am Beispiel von Zwillingen diskutiert, die sich in zueinander bewegten Inertialsystemen befinden und wegen der Zeitdilatation unterschiedlich schnell altern. Bezeichnet wird diese Erscheinung als Zwillingsparadoxon.

Auf der Sonne beobachtet man verschiedene Aktivitätserscheinungen. Zu den Formen der Sonnenaktivität gehören Sonnenflecken, Sonnenfackeln, Protuberanzen und Eruptionen. Diese verschiedenen Aktivitätserscheinungen sind teilweise miteinander verbunden und treten periodisch gehäuft auf.

Unser Planetensystem oder Sonnensystem besteht aus einem Stern im Zentrum, 9 großen Planeten, mehr als 100 Monden, zahlreichen Planetoiden, Kometen, Meteoroiden sowie gas- und staubförmigen Stoffen im interplanetaren Raum. Insgesamt besitzt des Planetensystem eine flache Grundstruktur, da die Bahnen der größeren Himmelskörper dieses Systems nahezu in einer Ebene verlaufen.

Wäre die Erde eine unbewegte Kugel, würden sich die globalen Windsysteme vom Äquator zu den Polen hin ausrichten:
Die Sonneneinstrahlung ist am Äquator am höchsten. Die am Äquator auftretenden Strahlungsgewinne führen zur Erwärmung der Luft und lassen sie aufsteigen. Über dem äquatorialen Tiefdruckgebiet würde die Luft dann nord- und südwärts zu den Polen hin abströmen.
Durch die Erdrotation kann es aber einen solchen geschlossenen Kreislauf der Luftmassen zwischen Äquator und Polen, die sogenannte HEADLEY-Zelle, nicht geben. Die Zelle bzw. der Kreislauf existiert lediglich im Raum zwischen dem Äquator und etwa 30° nördlicher und südlicher Breite und wird als Passatzirkulation bezeichnet.
Die HEADLEY-Zelle ist allerdings nicht nur in ihrer Breitenausdehnung begrenzt. Durch die Erdrotation tritt zusätzlich eine scheinbare Kraft auf, die die auf der Nordhalbkugel vom Äquator weg wehenden Winde nach Osten und die zum Äquator hin wehenden Winde nach Westen ablenkt. Auf der Südhalbkugel sind die Verhältnisse entsprechend umgekehrt. Diese ablenkende Kraft heißt CORIOLIS-Kraft.

Die Sonne ist der uns am nächsten stehende Stern. Sie liefert die Energie, durch die Leben auf der Erde überhaupt erst entstehen und sich entwickeln konnte. Aufgrund der relativ geringen Entfernung sind viele Daten der Sonne recht genau bekannt. Sie sind in Übersichten dargestellt.

Es gibt eine Vielzahl physikalischer Systeme, bei denen geringfügige Änderungen in den Anfangsbedingungen erhebliche Auswirkungen haben können. Ein einfaches Beispiel dafür ist das Fallenlassen eines Blattes Papier. Es fällt je nach dem Ausgangszustand in sehr unterschiedlicher Weise nach unten – es verhält sich chaotisch. Trotzdem wirken auch in diesem Falle physikalische Gesetze. Man bezeichnet das Verhalten solcher Systeme als deterministisches Chaos. Ihre Beschreibung erfolgt nicht nichtlinearen Gleichungen.

Die Weltmeere sind ein gewaltiger Speicher erneuerbarer Energien. Bei der Nutzung der thermischen und kinetischen Energie der Ozeane steht der Mensch jedoch noch am Anfang. Bislang arbeiten nur wenige Gezeiten- und Wellenkraftwerke erfolgreich. Auch bei der Entwicklung von Temperaturgefällekraftwerken, die gleichzeitig zur Meerwasserentsalzung genutzt werden können, muss noch viel Pionierarbeit geleistet werden.