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Grundwissen

EINSTEINs Postulate

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Erstes Postulat (Relativitätsprinzip): Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller physikalischen Gesetze gleichberechtigt.
  • Zweites Postulat (Konstanz der Lichtgeschwindigkeit): Die Vakuumlichtgeschwindigkeit \(c\) ist in allen Inertialsystemen gleich groß.

Beobachtungen am Bahnhof

In einem im Bahnhof stehenden Zug kannst du folgende Beobachtung machen: Steht neben deinem Zug ein zweiter Zug und fährt einer der beiden Züge langsam an, so weißt du kurzzeitig nicht, ob dein eigener Zug oder der andere Zug fährt.

Relativitätsprinzip bei Galilei

Dieses Problem greift das sog. Relativitätsprinzip auf. Im 17. Jhd. zu Zeiten Galileis wurde es wie folgt formuliert: Es gibt keine Möglichkeit einen absoluten Bewegungszustand eines Körpers festzustellen. In einem absoluten Sinne kann man also nicht sagen, das eine Bezugssystem ruht und das andere bewegt sich. Feststellen lässt sich nur die relative Bewegung der beiden Systeme zueinander.

Ruhe und Bewegung sind keine absoluten Begriffe.

Nachdem Newton etwa ein halbes Jahrhundert später seine Bewegungsgesetze formuliert hatte, in denen er den Zusammenhang von Bewegungen mit Kräften beschrieb, formulierte man das Relativitätsprinzip etwas um:

Alle Inertialsysteme sind bezüglich der physikalischen Gesetze (zur Zeit Newtons waren dies vornehmlich Gesetze zur Mechanik) gleichberechtigt.

Ausführlich ist damit gemeint: Die gleiche Kraft erzeugt in jedem Inertialsystem am gleichen Körper die gleiche Beschleunigung. Wirkt auf ein Objekt keine resultierende Kraft, so, bewegt sich das Objekt in allen Inertialsystem geradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit.

Veranschaulichung des klassischen Relativitätsprinzips 

Die folgende Animation in Abb. 1 veranschaulicht dies. Die Bahnkurve des Papierkegels ist im System von Schlaumeier eine Parabel, in System von Max eine vertikale Gerade. Auch die Geschwindigkeit des Kegels ist in beiden System verschieden. Aber die Bewegung des Kegels wird in beiden Systemen mit dem gleichen physikalischen Gesetz begründet, dem 2. Newtonschen Gesetz. Auch ist die auftretende Beschleunigung in beiden Inertialsystemen gleich.

Abb. 1 Begriff des Inertialsystems am Beispiel eines fallenden Papierkegels in einem fahrenden Zug

Erweiterung auf alle Teilgebiete der Physik

Zum Ende des 19. Jahrhunderts konnten die elektromagnetischen Erscheinungen und die Optik mit kompakten Gleichungen, den Maxwell-Gleichungen, beschrieben werden. Einsteins Relativitätsprinzip bezieht sich daher nun auf alle Gebiete der Physik.

Erstes Postulat (Relativitätsprinzip)

Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller physikalischen Gesetze gleichberechtigt.

Das Prinzip von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Abb. 2 Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Relativbewegung der Lichtquelle zum Fixsternhimmel

Michelson und Morley untersuchten im Jahre 1881 mit einer komplexen Apparatur den Einfluss der Erdbewegung, die sich mit \(v\approx 30 \rm{\frac{km}{s}}\approx 0{,}01\%\cdot c\) um die Sonne dreht, auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtsignalen.

In ihrem Experiment ließen Michelson und Morley Licht einmal quer zur Richtung der Erdbewegung und einmal in Richtung der Erdbewegung laufen. Wenn die Bewegung der Lichtquelle auf die Lichtgeschwindigkeit einen Einfluss haben sollte, so müssten sich für die Laufzeiten der Signale zwischen dem Strahlteiler und Spiegel 1 bzw. dem Strahlteiler und Spiegel 2 - gleiche Streckenlänge vorausgesetzt - Unterschiede ergeben. Doch dies war nicht der Fall.

Hinweis: Die Darstellung der Versuchsanordnung ist extrem vereinfacht. Licht (symbolisiert durch blaue Kügelchen) kommt aus der Quelle und wird durch den halbdurchlässigen Strahlteiler aufgeteilt.

  • Ein Teil des Lichts läuft zu Spiegel 1, wird dort reflektiert und gelangt durch den Strahlteiler zum Detektor.
  • Der andere Teil des Lichts gelangt durch den Strahlteiler zu Spiegel 2, wird dort reflektiert und gelangt durch Reflexion am Strahlteiler ebenfalls zum Detektor.

Aus dieser Beobachtung folgerte Einstein sein zweites Postulat und legte damit den Grundstein für die Relativitätstheorie.

Zweites Postulat (Konstanz der Lichtgeschwindigkeit)

Die Vakuumlichtgeschwindigkeit \(c\) ist unabhängig von der Bewegung der Quelle und vom Inertialsystem, in dem sie gemessen wird. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit \(c\) ist in allen Inertialsystemen gleich groß.