Wiederholung: Grundlagen der klassischen Kinematik
Bevor wir mit dem Kernthema, nämlich der speziellen Relativitätstheorie, beginnen, sollten wir einige Grundbegriffe der klassischen Kinematik rekapitulieren. Denn nur so können wir die charakteristischen Unterschied beider Theorien herausarbeiten.
Die Kenntnis des Begriffs Bezugssystem ist eine wesentliche Voraussetzung zum Verständnis der Kinematik und schliesslich der speziellen Relativitätstheorie.
Merke
Bezugssystem
Um Bewegungen mathematisch beschreiben zu können, wählt man ein bestimmtes Koordinatensystem, das man als Bezugssystem bezeichnet. Die Bewegung eines Körpers wird dann als Relativbewegung zu diesem Koordinatensystem angegeben.
Unbeschleunigte Bezugssysteme bezeichnet man als Inertialsysteme.
Konzentrieren wir uns auf ein Inertialsystem $S^{'}$, das sich mit einer konstanten Geschwindigkeit $v$ gegenüber einem Inertialsystem $S$ in positiver $x$-Richtung bewegt. Die Bewegung eines Körpers ist, wie man aus der Mechanik weiß, vollständig durch die Angabe der Raumkoordinaten des Körpers zu jeder Zeit determiniert. Durch Angabe des Raumpunktes und des Zeitpunktes kann man die Bewegung erfassen. Folgende Koordinaten lassen sich in den Inertialsystemen benutzen:
Inertialsystem $S$: $(t,x,y,z)$
Inertialsystem $S^{'}$: $(t^{'},x^{'},y^{'},z^{'})$
Zwischen den so gewählten Koordinaten lässt sich nun ein Zusammenhang herstellen, den man am besten durch die obige Skizze herleiten kann.
Da die Bewegung des Inertialsystems $S^{'}$ relativ zu $S$ in $x$-Richtung erfolgt, hat man
$y^{'}=y,\quad z^{'}=z$.
Die Relation zwischen $x^{'}$ und $x$ bestimmt man, indem man die Verschiebung von $S^{'}$ um die Strecke $v\cdot t$ gegenüber $S$ berücksichtigt. Daraus folgt
$x^{'}=x-v\cdot t$.
Dabei gilt ein wesentliches Postulat der klassischen Physik, nämlich das der absoluten Zeit.
Merke
Postulat der absoluten Zeit der klassischen Physik
In allen Inertialsystemen gibt es eine absolute Zeit. Insbesondere impliziert dies die Gleichheit von $t^{'}$ und $t$ in den Inertialsystemen $S^{'}$ bzw. $S$:
$t^{'}=t$
Den oben abgeleiteten Satz von Beziehungen zwischen den Koordinaten beider Inertialsysteme bezeichnet man als Galilei-Transformation.
Merke
Galilei-Transformation
Die Galilei-Transformation ist eine Koordinatentransformation, die den Übergang und damit die Umrechnung zwischen Inertialsystemen beschreibt. In unserem Fall erhalten wir insgesamt:
$x^{'}=x-vt$
$y^{'}=y$
$z^{'}=z$
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