Susi misst, dass der Ball in 0,1 Sekunden 2 Meter weit fliegt. Er hat also die Geschwindigkeit 20 m/s.
Allerdings hat Susi nicht berücksichtigt, dass sie sich in einem Zug befindet, der mit 40 m/s fährt.
Solange der Zug mit
konstanter Geschwindigkeit geradeaus
Der Zugwagen ist dann ein Inertialsystem. fährt, bemerkt sie das auch nicht.
Die Geschwindigkeit des Zugs hat dann keinen Einfluss auf ihre Messungen.
Peter steht am Bahnhof. Aus seiner Sicht legt der Ball während des Wurfs in 0,1 Sekunden 6 Meter zurück, hat also die Geschwindigkeit 60 m/s.
Eine Geschwindigkeitsangabe erfolgt stets relativ zu einem Bezugssystem.
Wie schnell ist Licht?
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Wie schnell ist Licht?
1676 wies Olaf Rømer
durch Messungen der Zeitverschiebungen der Verfinsterungen des Jupitermondes Io nach, dass sich Licht nicht unendlich
schnell ausbreitet.
Mitte des 19. Jahrhunderts lieferten die
Zahnradmethode von Fizeau und die
Drehspiegelmethode von Foucault
für die Lichtgeschwindigkeit in Luft einen Wert von fast genau 300 000 km/s, das sind etwa 1 Milliarde km/h.
Ende des 19. Jahrhunderts war Licht als elektromagnetische Welle entlarvt, deren
Ausbreitungsgeschwindigkeit
\(c\) im Vakuum sich aus den
Maxwell-Gleichungen der Elektrodynamik
exakt berechnen und mit modernen Experimenten bestätigen lässt:
$$c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_0\cdot \mu_0}} = 299\,792\,458 \,\frac{\text m}{\text s}$$
Verschiedene Experimente und die Theorie der Elektrodynamik liefern: Lichtgeschwindigkeit c = 300 000 km/s.
Relativ zu — ja zu was? Relativ zur Erde? Zur Sonne? Oder zum Zentrum unserer Galaxis?
Nähert sich das Licht eines Sterns
mit doppelter Lichtgeschwindigkeit, wenn man mit c auf ihn zu fliegt? Kann man einen Stern sehen,
wenn man sich mit c von ihm entfernt?
Denken wir uns Susis Ball durch ein Lichtsignal ersetzt. Wer misst exakt c?
Susi im System Zug oder Peter im System Bahnhof? Oder keiner von beiden? In welchem Bezugssystem ergibt sich dann c?
Tatsächlich wurde seit Ende des 19. Jahrhunderts versucht, Lichtgeschwindigkeitsunterschiede in verschiedenen Bezugssystemen zu messen und
so
das eine Bezugssystem
Man nannte es den "Lichtäther". zu finden,
relativ zu dem sich Licht mit exakt c ausbreitet.
Alle Experimente führten zum
gleichen überraschenden Ergebnis: Ein- und dasselbe Lichtsignal hat von jedem Bezugssystem aus gemessen exakt die
Geschwindigkeit c. Licht hat — anders als unser Ball — unabhängig vom Bezugssystem immer die gleiche Geschwindigkeit.
c ist von der Geschwindigkeit der Lichtquelle ebenso unabhängig wie von der des Beobachters.
Alle Bezugssysteme sind gleichberechtigt. Das eine Bezugssystem gibt es nicht.
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Einstein erinnert sich an Gedanken als 16-Jähriger:
„Wenn ich einem Lichtstrahl nacheile mit Geschwindigkeit c (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum),
so sollte ich einen solchen Lichtstrahl als ruhendes, räumlich oszillierendes elektromagnetisches Feld wahrnehmen.
So etwas kann es aber nicht geben, weder aufgrund der Erfahrung noch gemäß den Maxwell'schen Gleichungen.
Intuitiv schien es mir von vornherein klar, dass von einem solchen Beobachter aus beurteilt alles sich nach denselben
Gesetzen abspielen müsse wie für einen relativ zur Erde ruhenden Beobachter.“
Albert Einstein sagte später, er hätte das schon immer gewusst. 1905 verfasste er einen Artikel, in dem er die sich daraus
ergebenden Konsequenzen durchdachte und so auf eine neue Vorstellung von Raum und Zeit stieß.
Der Inhalt dieses Artikels wurde später als «spezielle Relativitätstheorie» bekannt. Im
folgenden Kurs werden deren
grundlegende Gedanken mit ihren verblüffenden Resultaten prägnant und anschaulich dargestellt,
„so einfach wie möglich, aber nicht einfacher “ ...
Wie lange braucht das Licht der 150 Millionen km entfernten Sonne bis zur Erde?
„Wenn ich einem Lichtstrahl nacheile mit Geschwindigkeit c (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum),
so sollte ich einen solchen Lichtstrahl als ruhendes, räumlich oszillierendes elektromagnetisches Feld wahrnehmen.
So etwas kann es aber nicht geben, weder aufgrund der Erfahrung noch gemäß den Maxwell'schen Gleichungen.
Intuitiv schien es mir von vornherein klar, dass von einem solchen Beobachter aus beurteilt alles sich nach denselben
Gesetzen abspielen müsse wie für einen relativ zur Erde ruhenden Beobachter.“