Relativitätstheorie: Einsteins spezielle und allgemeine Theorie
Von E = mc² bis zur gekrümmten Raumzeit: spezielle und allgemeine Relativitätstheorie, Zeitdilatation, schwarze Löcher. Elf geprüfte Fragen mit klaren Erläuterungen.
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Was ist die genaue Lichtgeschwindigkeit im Vakuum?
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Q1. Was ist die genaue Lichtgeschwindigkeit im Vakuum?
- 186.000 m/s
- 299.792.458 m/s
- 1.000.000 km/s
- Sie hängt vom Beobachter ab
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt exakt 299.792.458 m/s, bezeichnet als c. Seit 1983 wird der Meter sogar aus diesem Wert abgeleitet. Sie ist die kosmische Geschwindigkeitsgrenze für Materie und Information.Q2. In welchem Jahr veröffentlichte Einstein die spezielle Relativitätstheorie?
- 1879
- 1905
- 1915
- 1925
Die spezielle Relativitätstheorie erschien in seinem 'Annus-Mirabilis'-Aufsatz 'Zur Elektrodynamik bewegter Körper' im Jahr 1905. Im selben Jahr erklärte er auch den photoelektrischen Effekt und die Brownsche Bewegung.Q3. Was besagt die Gleichung E = mc²?
- Masse ist null
- Energie gleich Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit
- Licht hat keine Energie
- Kraft gleich Masse mal c
Masse und Energie sind äquivalent: Eine winzige Masse entspricht einer enormen Energiemenge, da c² ≈ 9 × 10¹⁶ m²/s². Dies ist das Prinzip hinter Kernspaltung, Kernfusion und der Leuchtkraft von Sternen.Q4. Was ist Zeitdilatation?
- Zeit hört im Vakuum auf
- Bewegende Uhren gehen langsamer, gemessen aus einem ruhenden Bezugssystem
- Zeit beschleunigt sich unterirdisch
- Zeit hängt nur von der Temperatur ab
Eine mit Geschwindigkeit v bewegte Uhr läuft um den Faktor 1/√(1−v²/c²) langsamer. GPS-Satelliten müssen diesen Effekt sowie die Gravitationszeitdilatation korrigieren; ohne Korrektur würden Positionsangaben täglich um mehrere Kilometer abweichen.Q5. Wann veröffentlichte Einstein die allgemeine Relativitätstheorie?
- 1905
- 1909
- 1915
- 1921
Die allgemeine Relativitätstheorie wurde im November 1915 abgeschlossen. Sie verallgemeinert die spezielle Relativitätstheorie auf Gravitation und beschreibt diese als Krümmung der Raumzeit durch Masse und Energie.Q6. In der allgemeinen Relativitätstheorie wird Gravitation interpretiert als...
- Eine magnetische Kraft
- Krümmung der Raumzeit durch Masse und Energie
- Eine Art Reibung
- Eine Illusion
Massereiche Körper krümmen die Raumzeit, und andere Körper bewegen sich auf den geraden Bahnen (Geodäten) dieser gekrümmten Geometrie. John Wheeler fasste es zusammen: 'Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich krümmen soll; Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll.'Q7. Was war die berühmte Beobachtung von 1919, die die allgemeine Relativitätstheorie bestätigte?
- Entdeckung von Pluto
- Ablenkung von Sternenlicht durch die Sonne während einer Sonnenfinsternis
- Nachweis des Photons
- Spaltung des Atoms
Arthur Eddington maß die Ablenkung von Sternenlicht beim Durchgang nahe der Sonne während der Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919. Der Winkel stimmte mit Einsteins Vorhersage (etwa 1,75 Bogensekunden) überein und machte ihn über Nacht weltberühmt.Q8. Was ist ein Schwarzes Loch in relativistischer Hinsicht?
- Eine leere Raumregion
- Eine Region, in der die Raumzeitkrümmung so extrem ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann
- Ein dunkler Planet
- Ein ausgebrannter Stern ohne Gravitation
Innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs übersteigt die Fluchtgeschwindigkeit c. Das Event-Horizon-Teleskop veröffentlichte im April 2019 das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs (M87*) und 2022 von Sagittarius A*.Q9. Was sind Gravitationswellen?
- Schallwellen im Weltraum
- Raumzeitverzerrungen, die Einstein 1916 vorhergesagt hat
- Licht, das sich an Planeten spiegelt
- Meereswellen, die durch den Mond verursacht werden
Gravitationswellen sind sich ausbreitende Raumzeitverzerrungen, die durch beschleunigte massereiche Objekte verursacht werden. LIGO wies sie erstmals am 14. September 2015 beim Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher direkt nach. Nobelpreis 2017.Q10. Was ist das Zwillingsparadoxon?
- Eineiige Zwillinge sind sich immer uneinig
- Ein reisender Zwilling kehrt jünger zurück als der zuhause gebliebene
- Zwillinge altern im Weltraum doppelt so schnell
- Zwei Photonen vernichten sich gegenseitig
Aufgrund der Zeitdilatation altert ein Zwilling auf einer nahezu lichtschnellen Rundreise weniger als der auf der Erde. Es ist kein echtes Paradoxon: Nur einer der Zwillinge beschleunigt tatsächlich, was die Symmetrie zwischen den Bezugssystemen bricht.Q11. Was sagt die Längenkontraktion voraus?
- Objekte dehnen sich bei hoher Geschwindigkeit aus
- Bewegende Objekte erscheinen in ihrer Bewegungsrichtung kürzer
- Masse wird negativ
- Licht bricht sich in Metallen
Ein Objekt, das sich mit Geschwindigkeit v bewegt, ist in seiner Bewegungsrichtung um denselben Lorentz-Faktor 1/√(1−v²/c²) kürzer. Bei Alltagsgeschwindigkeiten ist der Effekt völlig vernachlässigbar und nur nahe der Lichtgeschwindigkeit spürbar.Q12. Was ist Gravitationszeitdilatation?
- Zeit läuft überall gleich schnell
- Zeit läuft in stärkeren Gravitationsfeldern langsamer
- Gravitation hält die Zeit an
- Zeit läuft an der Erdoberfläche schneller als im Weltraum
Uhren laufen tiefer im Gravitationsfeld langsamer. Eine Uhr auf der Erdoberfläche läuft etwa 38 Mikrosekunden pro Tag langsamer als eine auf einem GPS-Satelliten – eine Korrektur, die GPS anwenden muss, um genau zu bleiben.
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