Zeitmanipulation

Den Widerspruch, dass verschiedene Beobachter einen Lichtpuls (Photon) an unterschiedlichen Orten sehen, wenn das Photon sich für jeden Beobachter mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt, versuchte Einstein mit folgender kühnen Annahme aufzulösen:

Wenn die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist, dann sind Zeit und Raum möglicherweise veränderlich.

"Veränderlich" bedeutet hier, dass eine Uhr langsamer laufen kann, als eine andere Uhr und dass eine Strecke mit dem gleichen Maßstab unterschiedlich lang gemessen werden kann, was bedeutet, dass sich der Maßstab ändert und damit der Raum an sich.

Für manche Beobachter könnte die Zeit also langsamer oder schneller ablaufen, so dass ein Ereignis für verschiedene Beobachter zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfindet. Für manche Beobachter könnte eine Strecke länger oder kürzer sein, so dass ein Gegenstand für verschiedene Beobachter unterschiedlich lang ist.

Diese kühne Idee sorgt in unserem Gehirn für reichlich Verwirrung. Wir sollten also langsam und sorgfältig die hoffentlich richtigen Schlussfolgerungen aus dieser Idee ziehen.


Zeitmanipulation

In einem ersten Schritt sollen Sie mit der Manipulation der Zeit experimentieren. In der folgenden Simulation wird wieder ein Photon von einem Raumschiff ausgesendet und dessen Geschwindigkeit von einem Beobachter am Startpunkt und einem Beobachter im Raumschiff gemessen.

Wie Sie feststellen werden, messen beide Beobachter mit gleich schnell laufenden Uhren unterschiedliche Geschwindigkeiten für den Lichtpuls (Photon). Das kann wegen der Grundannahme, dass in einem Inertialsystem alle Beobachter die genau gleiche Lichtgeschwindigkeit messen, nicht sein.

In der Formel für die Geschwindigkeit: \(\text{Lichtgeschwindigkeit} = \frac{\text{Weg}}{\text{Zeit}}\) ist die Lichtgeschwindigkeit auf der linken Seite eine Konstante. Wenn also alle Beobachter in einem Inertialsystem die genau gleiche Lichtgeschwindigkeit messen sollen, kann das nur funktionieren, wenn sich die Größen auf der rechten Seite ändern. In diesem Kapitel betrachten wir zuerst die Zeit. Die Untersuchung des Wegs folgt später.

Bislang sind Sie gewohnt, dass die Zeit abläuft und die abgelaufene Zeit z.B. mit einer Stoppuhr gemessen wird. Das genügt aber nicht, damit alle Beobachter im Intertialsystem die gleiche Lichtgeschwindigkeit messen, sondern das Tempo, mit welchem die Zeit abläuft, muss sich für verschiedene Beobachter ändern. Diese Zeitmanipulation sollen Sie in der nächsten App untersuchen.

Das Raumschiff sendet wieder einen Lichtpuls (Photon) aus. Diesmal wird aber nur ein Photon ausgesendet. Am Photon finden Sie zwei Uhren und es werden zwei Geschwindigkeiten angezeigt, jeweils relativ zu einem anderen Beobachter.

Ihre Aufgabe ist es nun, die Zeit so zu manipulieren, dass alle Beobachter die gleiche Lichtgeschwindigkeit messen können. Dazu können Sie das Tempo einer Uhr wie folgt ändern:

Wenn Sie den Beobachter am Startpunkt ausgewählt haben, dann können Sie die Uhr des Beobachters im Raumschiff aus Sicht des Beobachters am Startpunkt manipulieren und diese schneller oder langsamer gehen lassen.

Wenn Sie den Beobachter im Raumschiff ausgewählt haben, dann können Sie die Uhr des Beobachters am Startpunkt aus Sicht des Beobachters im Raumschiff manipulieren und diese schneller oder langsamer gehen lassen.

Denken Sie über die letzten beiden Sätze in Ruhe nach, denn für die folgenden Überlegungen ist es wichtig, dass Ihnen klar ist, aus welcher Sicht man welches Verhalten misst.

Aufgabe 1:

A1.1: Lassen Sie das Photon in beide Richtungen fliegen, indem Sie einmal +200 m/s und einmal -200 m/s als Geschwindgkeit des Photons einstellen. Verändern Sie dann den Schieberegler "Zeit schneller/langsamer" so, dass beide Geschwindgkeiten, die am Photon angezeigt werden, gleich sind. Notieren Sie den gefundenen Faktor.

A1.2: Verändern Sie die Geschwindigkeit des Raumschiffs und wiederholen Sie mit der veränderten Geschwindigkeit die Aufgabe A1.1. Notieren Sie Geschwindigkeit, Richtung und Faktor.

A1.3: Diskutieren Sie mit Ihren MitschülerInnen die Messdaten.

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Ergebnisse der Untersuchung: