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Zeitdilatation

Eine Dilatation ist eine Dehnung oder Verlängerung, eine Zeitdilatation also eine Zeitdehnung. Diese relativistische Größe ist sehr abstrakt und schwer vorstellbar, spielt aber in der Physik und der Astronomie eine sehr große Rolle. Albert Einstein beschrieb diesen Effekt in seiner speziellen Relativitätstheorie. Auch viele andere Physiker beschäftigten sich ausführlich damit.

Lichtuhr:

In dem gedanklichen Hilfsmodell einer Lichtuhr geht man von einer festen Länge zum Beispiel zwischen zwei Spiegeln aus, auf der ein Photon mit Lichtgeschwindigkeit hin und her pendelt. Die Geschwindigkeit des Lichts ist konstant. Jedes Mal, wenn das Photon an einem festgelegten und ausgewählten der beiden Spiegel ankommt, "tickt" praktisch die Lichtuhr nach der Eigenzeit in diesem Ruhesystem. Es wird jeweils die Zeitspanne zwischen dem ersten und dem zweiten Auftreffen des Photons gemessen. Man stelle sich nun beispielsweise ein Raumschiff vor, das im Weltraum an dieser ruhenden Lichtuhr vorbei fliegt. In dieser sich bewegenden Raumstation könnte es ebenfalls eine eigene, gleiche Lichtuhr geben. Betrachtet man nun von der ersten Lichtuhr im ruhenden Inertialsystem die sich vorbei bewegende Lichtuhr, so geht die zweite Uhr aufgrund relativistischer Effekte aus Sicht des ruhenden Beobachters langsamer. Je größer die relative Geschwindigkeit der bewegten Lichtuhr beziehungsweise der Raumstation ist, umso größer ist auch die Zeitdilatation, also die scheinbar "gedehnte" Zeit. Beide Lichtuhren ticken gleichzeitig nach ihrer Eigenzeit. Da sie aber gegeneinander bewegt werden, ergibt sich aber eine andere Beobachtungszeit, weil das beobachtete Licht von der jeweils anderen Uhr bis zum Beobachtungspunkt infolge der Bewegung einen etwas längeren Weg zurück legen muss.

Dopplereffekt:

Bei der Ausbreitung von Licht oder auch Schall ist immer die Bewegungskomponente mit zu berücksichtigen. Das Lichtsignal wird zum Beispiel bei der bewegten Lichtuhr mit einer anderen Laufzeit zum Beobachter im ersten ruhenden System übertragen, als das Lichtsignal des eigenen Systems. Es findet somit eine zeitliche Dehnung oder auch Stauchung (je nach Bewegungsrichtung) des Signals statt. Das nennt man Dopplereffekt oder auch Dopplerverschiebung.

Relativistische Längenkontraktion:

Betrachten wir eine ruhende und eine sich bewegende Raumstation. Von beiden Stationen aus wird eine Länge zwischen zwei Punkten im Weltraum gemessen. Der sich bewegende Beobachter misst eine kürzere Strecke als der ruhende, weil die Bewegungsgeschwindigkeit bewirkt, dass die beiden zu messenden Punkte aus Sicht eines ruhenden Beobachters vom sich bewegenden nach einander gemessen werden. Der ruhende Beobachter nimmt also die "bewegte" Messung der beiden Punkte nicht gleichzeitig, sondern nach einander wahr. Dadurch ergibt sich das Phänomen der Längenkontraktion, die in der Physik auch als sogenannte Lorentzkontraktion bezeichnet wird.

Anwendungsmöglichkeiten:

Relativistische Effekte wie unter anderen Zeitdilatation, Dopplereffekt und Längenkontraktion spielen nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten eine merkbare Rolle. In Physik, Astronomie und Technik ist das Prinzip der Gleichzeitigkeit, aus der diese Effekte resultieren, eine sehr wichtige Grundlage. Die Relativitätstheorie hat die heutigen Naturwissenschaften revolutioniert und praktisch erst auf die richtigen Beine gestellt. Mit Hilfe ausgeklügelter mathematischer und physikalischer Formeln lassen sich viele Vorgänge im Weltall aufgrund der Kenntnis von Zeitdilatationen überhaupt erst verstehen. Die Raumfahrt und Satellitentechnik wären ohne relativistische Berechnungen gar nicht erfunden worden. Wir nutzen also bei Fernsehsendungen und der Übertragung von Internetdaten automatisch die Ergebnisse solcher Phänomene, ohne direkt etwas davon zu merken. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das der Teilchenbeschleuniger, woraus sich wiederum weitere Nutzungsvarianten zur Energieerzeugung, Medizinforschung und in vielen anderen Branchen ergeben. Und zahlreiche weitere Technikanwendungen basieren auf der Grundlage solcher relativistischer physikalischer Größen.
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