Physics 4 you Oberstufenaufgabe
Einstein’sches Gedankenexperiment
Einstein ist einer der bekanntesten deutschen Physiker. Die meisten von euch kennen bestimmt auch seine Formel für die Energie E=mc². Unter Physikerinnen und Physikern ist es noch etwas anderes, was man mit Einstein verknüpft: Seine Gedanken-Experimente!
Einstein konnte komplexe Physikalische Zusammenhänge auf einfache Szenarien runterbrechen und daraus wichtige Schlüsse ziehen. Mit diesen Überlegungen kam er auf die Ideen, welche ihn schlussendlich zu seiner Relativitätstheorie brachten.
Ein solches Einstein’sches Gedanken-Experiment wollen wir heute durchführen. Und dafür braucht ihr nur euren Kopf. Nun aber erstmal die Fragestellung, deren Lösung ihr euch erarbeiten sollt:
Ein Zug fährt mit der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit nach Norden an einem Bahnsteig vorbei. Es schlagen zwei Blitze ein, einer vor dem Zug und einer hinter dem Zug.
Im Zug sitzt ein Beobachter und am Bahnsteig steht ein Beobachter. Die Blitze haben den gleichen Abstand zum Beobachter am Bahnsteig und deswegen meint er, dass die Blitze gleichzeitig eingeschlagen sind.
Einsteinsche Relativität
Was würde die Person im Zug sehen?
- Die Blitze schlagen gleichzeitig ein.
- Der Blitz vorm Zug schlug zuerst ein.
- Der Blitz hinterm Zug schlug zuerst ein.
Lösung:
Ihr solltet bei diesem Experiment darauf gekommen sein, dass für den Beobachter im Zug die Blitze nacheinander eingeschlagen sind.
Dadurch, dass er sich auf den einen Blitzstrahl zubewegt und von dem anderen Blitzstrahl wegbewegt, erreicht ihn das Licht beider Strahlen nicht gleichzeitig.
Dies offenbarte Einstein, dass jeder von ihnen Recht hatte, obwohl beide Beobachter etwas anderes sahen. Daraus konnte er schließen, dass Gleichzeitigkeit relativ ist. Was auch bedeutet, dass Zeit relativ ist. Wenn man dies akzeptiert, dann sind alle seltsamen Effekte, die wir heute mit Relativität assoziieren, nur eine Frage der Mathematik.
Es gibt auch noch weitere Gedankenexperimente/ Entdeckungen von Einstein mit großen Auswirkungen, die wir euch jetzt einmal kurz vorstellen:
- Zum einen hat er herausgefunden, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Dies basiert vor allem auf mathematischen Grundlagen.
- Eine weitere Entdeckung ist der Zusammenhang, zwischen Masse und Energie (E=mc²).
Diese erhielt er auch durch ein Gedankenexperiment. Man stellt sich ein Objekt vor, das stillsteht und plötzlich zwei Blitze in entgegengesetzte Richtungen ausstößt. Das Objekt verändert dadurch nicht seine Position, aber jeder Blitz nimmt etwas Energie mit sich, weshalb das Objekt Energie verlieren muss.
Fährt jetzt ein Beobachter an diesem Objekt in einer geraden Linie vorbei. Dann sieht es für ihn so aus als würde sich das Objekt in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Dadurch müssen sich die Energien der beiden Blitze unterscheiden. Der Blitz, der mit der Richtung des Beobachters geht hat eine höhere Energie, als der Blitz in die entgegengesetzte Richtung.
Führt man dazu Rechnungen durch, ergibt sich, dass das Objekt Masse verlieren muss, wenn es die Blitze ausstößt. Oder anders gesagt, Energie und Masse sind austauschbar.