Relativitätsprinzip
Physik
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Definition
Als Relativitätsprinzip bezeichnet man die die Annahme einer Gleichwertigkeit von Bezugssystemen [2] wenn es um die Beschreibung physikalischer Gesetzmäßigkeiten geht. Je nachdem, welche Gesetzmäßigkeiten man betrachtet, kann man verschieden dieser Prinzipien unterscheiden.
Einführung
Man kann in der Physik zwei grobe Arten von Relativitätsprinzipien unterscheiden. Man spricht von einem Galileischen Relativitätsprinzip, wenn man bloß meint, dass Bewegungen unterschiedlich schnell erscheinen, je nachdem in welchem Bezugssystem man als selbst als Beobachter ist. Dieses Prinzip ist schon seit Jahrhunderten klar ausformuliert.
ZITAT:
Johannes Kepler, 1611: "Die Anhänger [der Philosophen Pythagoras und Aristarchus] haben in einem Phänomen des Mondes ein starkes Argument gegen die scheinbare Unbeweglichkeit der Erde. Denn die Optik lehrt uns, dass uns der Mond als unbewegt erschiene, wäre einer von uns dort, und dass die Erde, Sonne und alle anderen himmlischen Körper bewegt. [5]
Johannes Kepler, 1611: "Die Anhänger [der Philosophen Pythagoras und Aristarchus] haben in einem Phänomen des Mondes ein starkes Argument gegen die scheinbare Unbeweglichkeit der Erde. Denn die Optik lehrt uns, dass uns der Mond als unbewegt erschiene, wäre einer von uns dort, und dass die Erde, Sonne und alle anderen himmlischen Körper bewegt. [5]
Die klassische Selbsterfahrung, dass man beim Blick aus einem Zug in einem Bahnhof oft nicht entscheiden kann, ob man selbst gerade rollt oder ein Nachbarzug, gehört zu dieser Galileischen Relativität.
Das Relativitätsprinzip nach Einsteins aber geht in seinem Anspruch weit darüber hinaus. Einstein fordert, dass die Veränderungen in der Natur selbst, die Gesetzmäßigkeit die wir zur Beschreibung verwenden, unabhängig vom gewählten Koordinatensystem sein müssen. Und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit war eine dieser Regeln.
Zitate
Zu Beginn seiner Veröffentlichung zur allgemeinen Relativitätstheorie, im Jahr 1905, schreibt Albert Einstein:
ZITAT:
Albert Einstein, 1905: die Vermutung, "daß dem Begriffe der absoluten Ruhe nicht nur in der Mechanik, sondern auch in der Elektrodynamik keine Eigenschaften der Erscheinungen enstprechen, sondern daß vielmehr für alle Koordinatensysteme, für welche die mechanischen Gleichungen gelten, auch die gleichen elektrodynamischen und optischen Gesetze gelten, wie dies für die Größen erster Ordnung [3] bereits erwiesen ist. Wir wollen diese Vermutung (deren Inhalt im folgenden 'Prinzip der Relativität' genannt werden wird) zur Voraussetzung erheben ..." [1]
Albert Einstein, 1905: die Vermutung, "daß dem Begriffe der absoluten Ruhe nicht nur in der Mechanik, sondern auch in der Elektrodynamik keine Eigenschaften der Erscheinungen enstprechen, sondern daß vielmehr für alle Koordinatensysteme, für welche die mechanischen Gleichungen gelten, auch die gleichen elektrodynamischen und optischen Gesetze gelten, wie dies für die Größen erster Ordnung [3] bereits erwiesen ist. Wir wollen diese Vermutung (deren Inhalt im folgenden 'Prinzip der Relativität' genannt werden wird) zur Voraussetzung erheben ..." [1]
Dabei geht es um die Änderung von Zuständen, nicht die Zustände selbst:
ZITAT:
"Die Gesetze, nach denen sich die Zustände der physikalischen Systeme ändern, sind unabhängig davon, auf welches
"Die Gesetze, nach denen sich die Zustände der physikalischen Systeme ändern, sind unabhängig davon, auf welches
von zwei relativ zueinander in gleichformiger Parallel-Translationsbewegung befindlichen Koordinatensystemen diese Zustandsänderungen bezogen werden (Relativitätsprinzip)." [4]
Fußnoten
- [1] Albert Einstein: Zur Elektrodynamik bewegter Körper. 1905.
- [2] Das "Relativitätsprinzip" ist das "Prinzip von der Gleichwertigkeit von Bezugssystemen bei der Beschreibung physikalischer Gesetzmäßigkeiten. Man unterscheidet das Galileische Relativitätsprinzip, das Spezielle Relativitätsprinzip und das Allgemeine Relativitätsprinzip." In: der Artikel "Relativitätsprinzip". Spektrum Lexikon der Physik. 6 Bände. Greulich, Walter (Hrsg.) Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin. 1998-2000.
- [3] Was Größen erster Ordnung sind, braucht hier weiter nicht zu interessieren: Einstein sagt nicht, dass sein Relativitätsprinzip nur für diese Größen gelte, sondern er sagt, dass es für diese Größen schon bewiesen sei: "First order effects are proportional in size to the speed of the ether, as a fraction of the speed of light. Second order effects are proportional to the square of this fractional quantity. Since this fraction is very small, its square is smaller still. That means that second order effects are very much harder to detect than first order effects. Why look at first, then second, then third order effects, and so on? What makes the sequence natural is consider the effect as a function of the fractional speed of the ether wind. After a constant, the first term in the series expansion is the first order effect, the second term is the second order effect, and so on; so that considering these orders exhausts all the possibilities." In: John D. Norton: Origins of Special Relativity. Department of History and Philosophy of Science. University of Pittsburgh. Vorlesungsunterlagen zum Herbst 2024. Online: https://sites.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters_June_6_2024/origins/index.htm
- [4] Albert Einstein (1905): Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? Annalen der Physik, Vierte Folge, Band 18, Heft 13, S. 639–641. DOI: 10.1002/andp.19053231314
- [5] Kepler zum Galileischen Prinzip, 1611: "The followers of the Samian philosophy (for I may use this epithet to designate the philosophy originated by the Samians, Pythagoras and Aristarchus) have a strong argument against the apparent immobility of the earth provided in the phenomena of the moon. For we are taught by optics that if any one of us was in the moon, to him the moon, his abode, would seem quite immovable, but our earth and sun and all the rest of the heavenly bodies movable; for the conclusions of sight are thus related." In: Johannes Kepler. Dioptrice. 1611. Im Vorwort der englischen Übersetzung von Edward Stafford Carlos. Online: https://en.wikisource.org/wiki/The_Sidereal_Messenger_of_Galileo_Galilei/Kepler's_Continuation