Einsteins Relativitätstheorie: Raum, Zeit und Lichtgeschwindigkeit

Einsteins Relativitätstheorie und ihre Auswirkungen

Ein grundlegendes Problem in der Physik des späten neunzehnten Jahrhunderts war, dass die Gesetze des Elektromagnetismus sich durch eine Änderung des Bezugssystems unterschieden und damit das Relativitätsprinzip von Galileo verletzten, welches die Grundlage der Newtonschen Mechanik bildete. Beobachter in relativer Bewegung würden also unterschiedliche Ergebnisse bei der Untersuchung elektromagnetischer Phänomene erhalten. Im Jahr 1905 vereinte Einstein die beiden Theorien (Mechanik und Elektromagnetismus) durch seine spezielle Relativitätstheorie, die auf zwei Postulaten basiert:

1. Relativitätsprinzip: Alle Gesetze der Physik haben die gleiche Form in Inertialsystemen (d.h. für verschiedene Beobachter).
2. Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine universelle Konstante.

Einsteins Theorie führt zu einigen Schlussfolgerungen, die eine veränderte Vorstellung von Raum, Zeit, Masse und Energie erfordern:

• Raum und Zeit sind nicht absolut: Verschiedene Inertialbeobachter messen unterschiedliche Zeitintervalle für dasselbe Ereignis und unterschiedliche Längen für dasselbe Objekt.
• Kein Körper kann sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bewegen.
• Masse und Energie sind äquivalent und können nach der Gleichung E=mc² ineinander umgewandelt werden.

Der Photoelektrische Effekt und die Teilchennatur des Lichts

Um bestimmte Phänomene der Emission und Absorption von Licht durch Materie, einschließlich des photoelektrischen Effekts, zu erklären, kehrte Einstein zur Teilchentheorie der Natur des Lichts zurück. Er ging davon aus, dass die Energie der elektromagnetischen Strahlung nicht kontinuierlich, sondern diskret ist. Eine elektromagnetische Welle der Frequenz kann als bestehend aus Quanten oder Korpuskeln betrachtet werden, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, von denen jedes eine Energie E=hv (wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist) und einen Impuls P=hv/c hat. Diese Theorie Einsteins erklärte die elektromagnetische Theorie des Lichts für ungültig.

Der Welle-Teilchen-Dualismus

Die moderne Physik hat den Welle-Teilchen-Dualismus eingeführt, der besagt, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Wenn Licht mit Materie interagiert, verhält es sich wie ein Strom von Teilchen (Photonen) mit Energie und Impuls. Wenn es sich ausbreitet oder Interferenz und Beugung erfährt, verhält sich Licht wie eine Welle, die durch ihre Wellenlänge und Frequenz gekennzeichnet ist. Später schlug de Broglie aus Gründen der Symmetrie vor, dass auch Materie einen Welle-Teilchen-Dualismus aufweist, sodass jedem Teilchen eine Welle zugeordnet ist. Die zugehörige Wellenlänge ist auf makroskopischer Ebene sehr klein, sodass die Welle der Materie nur auf mikroskopischer Ebene sichtbar wird.