Lexikon

Inertialbeobachter

Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem das Trägheitsgesetz der Mechanik gilt: Körper, auf die keine Kräfte wirken, befinden sich in Ruhe oder laufen mit konstanter Geschwindigkeit auf geraden Bahnen. Ein Inertialbeobachter ist ein Beobachter, der relativ zu einem Inertialsystem ruht. Im Zusammenhang der Relativitätstheorien entspricht ein Inertialsystem einem System, das im gravitationsfreien Raum schwebt, ohne beschleunigt zu werden oder zu rotieren.

Inertialsysteme spielen eine wichtige Rolle in der Speziellen Relativitätstheorie: deren Grundbausteine sind das Relativitätsprinzip (die Gesetze der Physik sind in allen Inertialsystemen die gleichen – kein Inertialsystem ist in dieser Hinsicht vor anderen ausgezeichnet) und das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (alle Inertialbeobachter messen für die Lichtgeschwindigkeit denselben konstanten Wert).

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es im allgemeinen allenfalls „lokale Inertialsysteme“: Aussage des Äquivalenzprinzips ist, dass die Gesetze der Physik für einen Beobachter, der frei fällt und über einen nicht allzu langen Zeitraum hinweg Ereignisse in seiner unmittelbaren Nähe betrachtet, in guter Näherung dieselben sind wie für einen Inertialbeobachter.

Definitioner

Raum

Im engeren Sinne: Der Raum, wie wir ihn aus dem Alltag kennen - die Gesamtheit aller Orte, an denen sich Objekte befinden können, ein Gebilde mit drei Dimensionen. Im allgemeineren Sinne sind in der Mathematik auch allgemeinere Punktmengen Räume - eine Linie beispielsweise, eine Punktmenge mit nur einer Dimension, oder eine zweidimensionale Fläche, aber auch höherdimensionale Räume. In solchen Räumen muss zudem nicht zwangsweise die Euklidische Geometrie gelten, wie sie in den Schulen gelehrt wird, es kann sich auch um allgemeinere, verzerrte Gebilde handeln, etwa um Räume mit Krümmung.

Relativitätstheorien (Relativitätstheorie)

Die auf Albert Einstein zurückgehenden Theorien von Raum und Zeit: Die Spezielle Relativitätstheorie, in der die Gravitation außen vor bleibt, und die Allgemeine Relativität, in der die Gravitation als Verzerrung von Raum und Zeit in Erscheinung tritt. Eine Einführung in die Grundideen der beiden Relativitätstheorien bieten die Kapitel Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Viele weitere Informationen zu den Relativitätstheorien und der auf ihnen basierenden relativistischen Physik bieten unsere Vertiefungsthemen.

Mechanik

Teilgebiet der Physik, das sich mit der Bewegung der Körper und damit beschäftigt, wie sie auf die Einwirkung von Kräften reagieren. Je nachdem, in welchem Rahmen die Bewegungsgesetze formuliert sind, handelt es sich um klassische Mechanik, relativistische Mechanik oder Quantenmechanik.

Lichtgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit, mit der sich Licht oder, allgemeiner, elektromagnetische Strahlung ausbreitet. Zentrale Größe in der Speziellen Relativitätstheorie: Dort ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ein Grundpostulat und es gilt: Jeder Beobachter (genauer: Inertialbeobachter) misst für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum denselben konstanten Wert, 299792458 Meter pro Sekunde. Wichtig ist außerdem, dass die Lichtgeschwindigkeit eine obere Geschwindigkeitsgrenze definiert: In der Speziellen Relativitätstheorie kann sich nichts schneller bewegen als das Licht, und auch Information und Einflüsse können nicht schneller übertragen werden. In der Allgemeinen Relativitätstheorie gilt dieses Prinzip zumindest lokal: Kein Objekt, keine Information, keine Materie kann direkt nebenherfliegendes Licht ein- oder gar überholen. (Vergleiche: Kausalität.) Grundlegendes zum Zusammenhang von Lichtgeschwindigkeit und Spezieller Relativitätstheorie erklärt der Abschnitt Spezielle Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger.

Inertialsystem

Siehe Inertialbeobachter

Inertialbeobachter (Inertialsystem)

Siehe Inertialbeobachter

Geschwindigkeit

In der Physik hat Geschwindigkeit zwei Aspekte: Erstens, wie im Alltag: wie schnell ist ein Objekt? Zweitens, etwas ungewohnter: in welche Richtung bewegt es sich? Physiker fassen diese beiden Informationen in einer einzigen Größe zusammen, einer "gerichteten Größe" oder einem "Vektor", den sie die Geschwindigkeit des Objekts nennen. Im Alltag ist mit Geschwindigkeit oft nur die Schnelligkeit gemeint, und der physikalische Sprachgebrauch ist daher etwas gewöhnungsbedürftig: Ein Auto, das mit 100 Stundenkilometern um die Kurve fährt, ändert seine Bewegungsrichtung und damit im Sprachgebrauch der Physiker auch seine Geschwindigkeit – obwohl es während der Kurvenfahrt immer gleich schnell ist.

Beobachter

Das Wort Beobachter wird im Zusammenhang mit den Relativitätstheorien in zweierlei Sinn gebraucht.

Oft ist Beobachter synonym zu Bezugssystem oder (Raum-Zeit-)Koordinatensystem: Ein Beobachter in diesem Sinne ist jeder, der es unternimmt, Raum und Zeit um sich herum und alles, was darin passiert, zu vermessen und insbesondere allen Ereignissen Raum- und Zeitkoordinatenwerte zuzuordnen. Im Zusammenhang mit der Speziellen Relativitätstheorie ist dabei oft eine ganz bestimmte Art von Bezugssystem gemeint - ein Beobachter ist dort in der Regel ein Inertialbeobachter.

Bei anderer Gelegenheit ist der Begriff dagegen enger gefasst - ein Beobachter ist dabei jeder, der sich an einem bestimmten Ort befindet und sich aus den Lichtsignalen, die ihn erreichen, ein Bild seiner Umgebung macht. In diesem Sinne wird das Wort vor allem verwendet, wenn es im Zusammenhang mit den Relativitätstheorien um optische Effekte geht, etwa um Gravitationslinsen.

Im Zusammenhang mit den Relativitätstheorien ist vor allem die Gleichberechtigung oder Nicht-Gleichberechtigung der Beobachter interessant. Näheres dazu bietet das Vertiefungsthema Das Ende der Privilegien.

Inertialbeobachter

Inertialsysteme spielen eine wichtige Rolle in der Speziellen Relativitätstheorie: deren Grundbausteine sind das Relativitätsprinzip (die Gesetze der Physik sind in allen Inertialsystemen die gleichen - kein Inertialsystem ist in dieser Hinsicht vor anderen ausgezeichnet) und das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (alle Inertialbeobachter messen für die Lichtgeschwindigkeit denselben konstanten Wert).

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es im allgemeinen allenfalls "lokale Inertialsysteme": Aussage des Äquivalenzprinzips ist, dass die Gesetze der Physik für einen Beobachter, der frei fällt und über einen nicht allzu langen Zeitraum hinweg Ereignisse in seiner unmittelbaren Nähe betrachtet, in guter Näherung dieselben sind wie für einen Inertialbeobachter.

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