Transcript 3.2
3.4 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit z z y y GalileiTransformation: r v r u E r v A r S ° von einem Stern E r u r c E1 WS14/15 v v u r r r c c u c Licht x x ut Die Lichtgeschwindigkeit ist in allen Bezugssystemen Konstant, unabhängig von deren Relativgeschwindigkeit zur Lichtquelle E1 WS14/15 Ergebnis: Gleichzeitige Detektion beider g-Quanten, obwohl sich deren Quelle mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt! E1 WS14/15 Zum Problem der Gleichzeitigkeit bei endlicher Lichtgeschwindigkeit E1 WS14/15 3.5 Lorentz-Transformation Blitz in O = O‘ bei t = t‘ = 0 S z y O x E1 WS14/15 3.5 Lorentz-Transformation Ergebnis vieler Experimente: c = c‘ Blitz in O = O‘ bei t = t‘ = 0 S‘ z‘ S z r r r t c t y O x x y z c t 2 O‘ v v x 2 2 2 2 2 2 2 A r t c t Linearer Ansatz: x k x - v t y y x‘ 2 x y z c t y‘ 2 E1 WS14/15 z z t a t - bx k 2 x - 2 vxt v t 2 2 2 k - b a c 2 2 2 2 y z c a 2 2 x - 2 k v - ba c 2 2 2 sein Muss zu jedem Zeitpunkt identische mit => Koeffizientenvergleich x 1- v 2 c 2 2 2 t - 2bxt b x 2 2 xt y z 2 a - k v 2 2 2 2 2 k - b a c 1 2 2 2 k v - ba c 0 2 2 2 2 a - k v c 1 x - vt 2 2 a k y y E1 WS14/15 2 2 c 2 c t 2 2 1 1- v bv c z z 2 2 c 2 2 t t - vx c 1- v 2 2 c 2 mit g 1 - v 2 2 c -1 2 LorentzTransformation t g t - vx c 2 2 2 2 2 ct x c t Invariant für s - x Geschwindigkeit des A in S und S‘ Körpers x g x v t y y x g x - vt y y z z 2 z z t g t v x c 2 dx dy dz u , , dt dt dt d x d y d z u , , d t d t d t dx d x dt v u x u g - v g 1 2 x dt d t dt d t c d x E1 WS14/15 Lorentz-Transformation der Geschwindigkeiten für v II x u x v ux u v 1 x2 c ux - v u x u v 1 - x2 c dito u y u z uy u x v g 1 - 2 c uz vu x g 1 - 2 c uy uz E1 WS14/15 u y v u x g 1 2 c u z v u x g 1 2 c 3.6 Spezielle Relativitätstheorie Einsteins Postulate: (1905, Annalen der Physik) Alle Inertialsysteme sind gleichberechtigt für alle physikalischen Gesetze Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum hat in allen Inetrtialsystemen den gleichen Wert c, unabhängig von der Bewegung des Beobachters Poincare E1 WS14/15 Lorentz Zum Problem der Gleichzeitigkeit Ruhendes System t tan 1 1 c S O A B C tA tan v C Für jeden Beobachter ist die Gleichzeitigkeit zweier Ereignisse an verschiedenen Raumpunkten abhängig vom verwendeten Bezugssystem E t A x x A xA x => geneigte x‘, t‘ Achsen t tan 1 v Wenn alle Inertialsysteme äquivalent sind müssen im bewegten System A‘ und C‘ den Blitz gleichzeitig sehen! O‘ bewege sich mit v=vx t A B A 1 x x x C 1 t1 t const t2 C1 1 A1 t1 ABC ruhen in S‘, t bewegen sich also in S! x E1 WS14/15 Zur Transformation der Geschwindigkeiten Punkt A bewege sich mit u bzgl O und u‘ bezgl. O‘ Der Beobachter in O misst t t ux A2 t2 t 2 t1 t 1 A1 x 2 x1 x 1 x2 t 2 - t1 Der Beobachter in O‘ misst x x 2 - x1 x E1 WS14/15 u x x 2 - x 1 t 2 - t 1 ux => Lorentztransformation der Geschwindigkeiten ct Weltlinie Gleichzeitigkeit 45 tan c /v x A B Lichtblitz Minkowski-Diagramme (Raum-Zeit-Koordinaten) (4er-Koordinaten) ct ct v=-vx tan c / v v=vx Weiters Intertialsystem S‘, das sich mit v=vx relativ zu S bewegt c t (Weltline von O ' ) x g tan v / c weil für die x‘ Achse gilt t‘=0 => LT: t=vx/c2 x x => g-= arctan (c/v) – arctan (v/c) E1 WS14/15 ct Minkowski-Diagramme (Raum-Zeit-Koordinaten) (4er-Koordinaten) Weltlinie Gleichzeitigkeit 45 Lichtblitz Nicht nur die Lagen, auch die Skalen der Achsen sind in S und S‘ verschieden! tan c /v x A B Lichtgeschwindigkeit in allen Systemen gleich => ct x - ct 1 2 2 A‘ B‘ AB 2 2 OBdA wählen wir s2=-1 t=0 => OA = 1 aber auch t‘=0 => OB = 1 O 2 zwischen Intertialsystemen x 2 s2 invariant bei der Transformation c t s ct - x c t - x 2 x => Skalen verschieden! http://www.tempolimit-lichtgeschwindigkeit.de/ Zur Lorentz-Kontraktion der Längen ct ct L Weltlinien P P P t1 t1 1 1 Längenmessung durch gleichzeitiges festlegen der beiden Koordinaten! Gleichzeitigkeit P 2 x 2 L P1 P2 x 2 - x 1 x 1 x 2 x1 x x2 L Lorentz-Transformation: für L P1 P2 x 2 - x 1 x1 g x1 - vt 1 x 2 g x 2 - vt 2 t1 t 2 x 2 - x1 g x 2 - x 1 g 1 L g L L L weil Die Länge eines bewegten Maßstabs erscheint dem ruhenden Beobachter verkürzt Einsteins Gedankenexperiment zur Lichtuhr Spiegel Uhr wird jetzt mit v bewegt B Für den Beobachter in S durchläuft das Licht den Weg ABC L mit AN = NC = v ∆t/2 1 2 2 t 2 AB BC 2 L v 2 Blitz - C lampe A Detektor vt N Zeitnormal in S: ∆to=2L/c c t t 2L c 2 -v 2 1 2 aber im ruhenden System: t 2 L c Bewegte Uhren laufen langsamer! t E1 WS14/15 t 1 - v 2 c 2 1 2 g t Zum Myon-Zerfall Lebensdauer ruhender Myonen ≈ 5 - - e e 10-6 s Während der Flugzeit dt = dh/v zerfällt bei einer mittleren Lebensdauer der Bruchteil dN/N = -dt/> N(t) = N0 e-t/ D1 h1 h h1 -h 2 - N (h 2 ) a N (h1 ) e - t mit t ( h 1 - h 2 ) v a<1 berücksichtigt den Verlust durch Streuung an Luftmolekülen Ausgiebige Messungen ergaben ≈ 45 10-6s mit = g => g= 9 => v = 0.994 c Berg D 2 h2 E1 WS14/15 Zwillingsparadoxon Invariantes Wegelement: ds c dt - dx c d t - d x 2 2 2 2 P2 Reisezeit B: ct Weltlinie P2 t2 T von B ds c dt ds 0 Weltlinie 0 T 2 cT c T 2 2 c - v dt 2g 2 0 P2 xu x ds T c - v 2 2 P1 dt T 2 T T g T cT P1 P 2 : dx -v dt von A 2 T 0 P1 P1 x vt 2 Reisezeit A: 0 P 1 : dx v dt x x u - v t - T 2 t1 T 2 2 E1 WS14/15 cT 2g c T 2 Raumzeitereignise und Kausalität E=mc2 folgt aus der allgemeinen Relativitätstheorie => Später ct x -ct x ct Lichtgeschwindigkeit obere Grenze für Signalübertragung! Zukunft anderswo -x B C A anderswo x Vergangenheit Im 4-dimensionalen MinkowskyRaum stellt der Lichtkegel eine 3d-Hyperfläche dar -ct => Wirkung nur innerhalb des Lichtkegels! A kann mit B aber nicht mit C kausal verknüpft sein E1 WS14/15 Zum Dopplereffekt x vt c t ct t t2 t2 x 1 c t1 - t 0 von B ausgesandte Signale 2 . Lichtpuls 1 . Lichtpuls x 2 , t 2 x1 , t1 t t1 t1 Weltlinie von A x E1 WS14/15 c x v x 0 v t1 x 2 c t 2 - t 0 - x 0 vt 2 t 2 - t1 c x 2 - x1 c-v vc c-v v t 2 - t1 g t 2 - t1 - 2 x 2 - x 1 g 1 c -1 2 2 g 1 1 - 1 f f 0 1 1 2 1 1 1 2 ct x -ct B A anderswo Zukunft -x x ct C anderswo x Vergangenheit -ct E1 WS14/15 mit v c L P1 P2 x 2 - x 1 L P1 P2 x 2 - x 1 ct c t tan c / v v=vx x g tan v / c weil für die x‘ Achse gilt t‘=0 => LT: t=vx/c2 x x => g-= arctan (c/v) – arctan (v/c) E1 WS14/15 Zur Zeitdilatation Uhr ruht im System S in O und schickt im Zeitabstand ∆t zwei Lichtpulse ct ct t 2 t2 t t1 t x c t - t x c t - t B B Lichtsignale x ct x c t Lorentz-Transformation liefert die Zeitpunkte t‘1 und t‘2, zu denen ein bewegter Beobachter in x‘0 die Lichtpulse misst t 1 g t 1 - v x 0 c Weltlinie A A t1 t 2 g t 2 - v x 0 c für x 0 für x 0 Bewegte Uhren laufen langsamer x x0 E1 WS14/15 2 t t 2 - t 1 g t Weltlinie 2 x