Aus Einsteins Relativitätsprinzip und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit folgt die Lorentz-Transformation – die Grundlage, unter der die Maxwell-Gleichungen forminvariant sind.
1. Postulate
- Physik ist in allen Inertialsystemen gleich (Relativitätsprinzip).
- Lichtgeschwindigkeit ist in allen Inertialsystemen konstant.
2. Lorentz-Boost (1D, Geschwindigkeit entlang )
Inverse: . Galilei-Grenze → , .
3. Konsequenzen
- Zeitdilatation: ; die Eigenzeit einer bewegten Uhr ist kürzer als die Koordinatenzeit .
- Längenkontraktion: entlang der Bewegungsrichtung ( = Ruhelänge).
- Relativität der Gleichzeitigkeit.
Beispielaufgabe
Aufgabe: Myonen aus der Atmosphäre
Myonen entstehen in etwa Höhe und fliegen mit zum Boden. Ihre mittlere Lebensdauer in Ruhe ist . Welcher Anteil erreicht den Boden – mit und ohne Zeitdilatation?
Lösung
- Lorentzfaktor: .
- Flugzeit im Erdsystem: .
- Eigenzeit der Myonen: .
- Überlebender Anteil: . Ohne Zeitdilatation wäre es .
- Sicht der Myonen: Für sie ist die Atmosphäre auf verkürzt – dieselbe Eigenzeit, andere Erklärung.
Merke: Zeitdilatation (Erdsystem) und Längenkontraktion (Myonsystem) beschreiben denselben Vorgang aus zwei Inertialsystemen.
4. Minkowski-Raum (Kurzverweis)
Vierervektoren , Metrik , Invariante . Siehe Minkowski-Raum und Vierervektoren.
5. Verknüpfungen
- EM-Kovarianz: Elektrodynamik - Dynamik und Wellen (Maxwell bleibt forminvariant).
- Experimente: Michelson–Morley (Null-Resultat), Lichtuhren-Denken für .
- Vierervektoren & Poincaré-Gruppe: Minkowski-Raum und Vierervektoren.