Spezielle Relativitätstheorie

Argumentationen zur Herleitung der wichtigsten Aussagen, Effekte und Strukturen

Franz Embacher

Die Behandlung der Speziellen Relativitätstheorie in der Schule stößt aus verschiedenen Gründen auf Schwierigkeiten. Das Verständnis von Phänomenen, die unseren Alltagsanschauungen und manchen bisher gelernten physikalischen Grundsätzen widersprechen, ist nicht leicht. Umso wichtiger ist es, die Gründe für deren Auftreten zu kennen und gedanklich zu durchdringen. In diesem kleinen Lehrgang sind einige Argumentationsmuster, die die Herleitung der wichtigsten Aussagen der Speziellen Relativitätstheorie betreffen, und die da und dort einen Blick auf tieferliegende Strukturen erlauben, zusammengestellt:

  1. Einleitung
  2. Postulate
  3. Zeitdilatation
  4. Lorentzkontraktion
  5. Alternative zur Herleitung der Effekte
  6. Gleichzeitigkeit
  7. Relativistische Geschwindigkeitsaddition
  8. Lorentztransformation
  9. Zwillingsparadoxon und Geodäten der Raumzeit
10. Relativität der Geradlinigkeit
11. Relativistischer Dopplereffekt
12. Relativistischer Impuls und dynamische Masse
13. Relativistische Energie und Ruheenergie
14. Der Bondische k-Kalkül
15. Die Geometrie der Raumzeit
16. Das Kreuz mit den Inertialsystemen
17. Kniffliges

Die Darstellungen bewegen sich zumeist auf einem für den Schulunterricht erreichbaren Niveau. Manchmal wird darüber hinausgegangen, um Anregungen zur weiteren Beschäftigung mit diesem Gebiet zu geben. Je nach Interesse und Vorwissen können die meisten der späteren Abschnitte ohne wesentlichen Verlust für das Ganze übersprungen werden. Auch innerhalb der einzelnen Abschnitte ist es bis zu einem gewissen Grad möglich, einzelne Themen oder Schwierigkeitsgrade auszuwählen und den Rest zu überspringen.

Generell wurde nach dem Prinzip vorgegangen, so schnell wie möglich zum Wesentlichen vorzustoßen. Einige elementare Themen (insbesondere die Begriffe Ereignis, Raumzeit, Weltlinie, Raumzeit-Diagramme, Photonen, die Definition von Inertialsystemen und die Synchronisation von Uhren) werden in der Einleitung kurz vorgestellt - manche werden bei Bedarf später näher besprochen. Eine tiefergehende Diskussion der Bedeutung und Problematik von Inertialsystemen wurde nach hinten gerückt, da sie bereits über die Spezielle Relativitätstheorie hinausweist. Im letzten Abschnitt finden sich einige Aufgaben (unterschiedlicher Schwierigkeitsgrade), die zum Weiterdenken anregen sollen.

Es werden vor allem die grundlegenden Konzepte und Resultate der Theorie behandelt. Auf geeignete grafische Darstellungsmöglichkeiten durch Raumzeit-Diagramme wird im jeweiligen Kontext eingegangen. Technische Anwendungen und die Rolle der Relativitätstheorie in anderen physikalischen Gebieten sind weitgehend ausgespart.

Als ergänzende, sehr komprimierte Darstellung sei Relativität für den Hausgebrauch von Wolfgang Lucha (dem ich an dieser Stelle für eine lange Liste von Hinweisen auf Tipp- und sonstige Fehler danke) empfohlen. Es betrifft ungefähr den hier in den Abschnitten 1 - 9 behandelten Stoff.


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