Relativistisch
Physik
Basiswissen
Etwas relativistisch zu berechnen heißt, das Formelwerk der Relativitätstheorie zu benutzen. Das wird vor allem bei sehr großen Relativigeschwindigkeiten sowie in der Nähe großer Massenkonzentrationen nötig. Das ist hier kurz erklärt.
Erklärung
Für ein Teilchen das sich sehr schnell im Verhältnis zu einem Beobachter bewegt verläuft zwischen zwei Ereignissen weniger Zeit als für den Beobachter[1]. Ähnliche Effekte treten in der Nähe schwerer Massen auf. Formeln wie v=a·t liefern dann falsche Ergebnisse. Korrekte Ergebnisse erhält man, wenn man die Formeln der einsteinschen Relativitätstheorie benutzt, also relativistisch rechnet.
Beispiel Zyklotron und Synchrotron
Zyklotrone und Synchrotrone sind beides Kreisbeschleunigung, die in der Teilchenphysik eingesetzt werden. Bei einem Zyklotron erreichen die Teilchen jedoch nur maximal etwa 10 % der Lichtgeschwindigkeit. Um das Gerät während des Betriebes zu steuern sind damit keine Berechnungen mit Hilfe der Relativitätstheorie nötig, die Berechnungsformeln sind damit nichtrelativistisch. Möchte man Teilchen auf höhere Geschwindigeiten beschleunigen, dann müssen während des Betriebes Steuerungen mit Hilfe der Relativitätstheorie vorgenommen werden. Die Berechnung ist dann relativistisch. Ein entsprechender Kreisbeschleuniger ist zum Beispiel ein Synchrotron ↗
Typische Anwendungsfälle bei hohen Geschwindigkeiten und Massen
- Geschwindigkeiten von über 10 % der Lichtgeschwindigkeit ↗
- Aufenthaltsorte nahe großen Massen Schwarzes Loch ↗
Sonderfall: GPS und Satelliten
Bereits die Masse der Erde und die Geschwindigkeit von Satelliten reicht aus, dass genaue GPS-Daten nur mit Hilfe einer relativistischen Berechnung bestimmt werden können. Satelliten bewegen sich aber mit zum Beispiel 7 Kilometenr pro Sekunde sehr viel langsamer als das Licht mit gut 300 tausend Kilometern pro Sekunde. Der Leitgedanke, dass man erst ab sehr hohen Geschwindigkeiten, etwa über 10 % der Lichtgeschwindigkeit rechnen muss, trifft also nicht immer zu. Siehe auch Satellit ↗
Sonderfall: Magnetismus
Der Magnetismus wird heute als ein relativistischer Effekt gedeutet. So übt eine elektrische Ladung, die relativ zu einem Beobachter nicht bewegt wird, keine magnetische Wirkung aus. Wird die Ladung aber relativ zum Beobachter bewegt, oder bewegt sich der Beobachter relativer zur elektrischen Ladung, so treten magnetische Effekte auf. Das erklärt sowohl das Magnetfeld um fließende Ströme als auch die sogenannte Lorentzkraft ↗
Fußnoten
- [1] Der Physiker Franz Serafin Exner argumentierte weniger als 20 Jahre nach der Veröffentlichung der Relatitivätstheorie dass "die Änderungen des Zeit- und Massenbegriffes, die wir kennen lernten, nur dann in die Erscheinung treten, wenn es sich um Bewegunge nahndelt, deren Geschwindigkeit nicht mehr als sehr klein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit zu betrachten ist." Und: "Solange wir unter solchen Geschwindigkeiten bleiben, gelten unsere gewohnten Anschauungen von Zeit und Masse vollständig." In: Franz Serafin Exner: Vorlesungen über die physikalischen Grundlagen der Naturwissenschaften. Deuticke, Wien 1919, OBV. Dort die 17te Vorlesung "Der Kraftbegriff. Arbeit, Lebendige Kraft." Dort die Seite 136. Hier muss angemerkt werden, dass man heute den Magnetismus als einen relativistischen Effekt der Bewegung von Ladungen relativ zu einem Betrachter deutet. Und dieser Effekt macht sich schon bei wenigen Zentimtern pro Sekunde an Geschwindigkeit bemerkbar. Auch die Verfälschung von GPS-Signalen nimmt inakzeptalbe Ausßmaße an, wenn man nicht mit Einsteins Relativitätstheorie den Einfluss der Geschwindgkeit von Satelliten berücksichtigt. Typische künsliche Satelliten bewegen sich aber mit zum beispiel 7 Kilometern in der Sekunde weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit von 300 tausend Kilometern pro Sekunde. Siehe auch Zeitdilatation ↗