4. Einsteins Traum - Kontext zu Einsteins zweitem Postulat
Die Schülerinnen und Schüler setzen sich mit einem Gedankenexperiment auseinander, in dem Einstein auf einem Lichtstrahl reitet. Dies regt dazu an, die Konsequenzen der Galileitransformation zu durchdenken.
Hintergrundinformation
Es ist üblich, der Begründung von Einsteins zweitem Postulat zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Unterricht einen Abschnitt über die verschiedenen historischen Methoden zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit voranzustellen (siehe Links und Literatur), woraus das Postulat als Konsequenz von Messungen gefolgert wird. Diese saubere physikalische Fundierung ist allerdings an dieser Stelle der Unterrichtseinheit nicht zwingend notwendig, weshalb eine Alternative vorgeschlagen wird. Einstein schreibt selbst in seiner Biografie (Albert Einstein, Autobiographisches, 1946):
"Nach zehn Jahren Nachdenkens fand ich ein Prinzip, auf das ich schon mit 16 Jahren gestoßen bin. Wenn ich einem Lichtstrahl mit Lichtgeschwindigkeit nacheile, so sollte ich diesen Lichtstrahl als ruhend wahrnehmen. So etwas scheint es aber nicht zu geben. Intuitiv klar schien es mir von vornherein, dass sich für einen solchen Beobachter alles nach denselben Gesetzen abspielen müsse wie für einen relativ zur Erde ruhenden Beobachter."
Diese ursprünglich intuitive Erkenntnis war offensichtlich mit ein Anstoß zu Einsteins Postulat zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Wir werden sie in verfremdeter Form als Kontext zur Motivation des zweiten Postulats einsetzen (siehe unten). Die Originalformulierung der Einsteinschen Postulate, entnommen aus seiner Publikation von 1905, lautet:
P1'
Die Gesetze, nach denen sich die Zustände der physikalischen Systeme ändern, sind unabhängig davon, auf welches von zwei relativ zueinander in gleichförmiger Translationsbewegung befindlichen Koordinatensystemen diese Zustandsänderungen bezogen werden.P2'
Jeder Lichtstrahl bewegt sich im "ruhenden" Koordinatensystem mit der bestimmten Geschwindigkeit c, unabhängig davon, ob dieser Lichtstrahl von einem ruhenden oder bewegten Körper emittiert ist.
Lernvoraussetzungen
- Verständnis der Galileitransformation
- Kenntnis des Galileischen Relativitätsprinzips
- Wissen, dass Messungen einen konstanten Wert für die Geschwindigkeit des Lichtes liefern.
Motivation
Es wird ein Gedankenexperiment ("Einsteins Traum") vorgestellt, das anregen soll, die Konsequenzen der Galileitransformation zu durchdenken.
Problemfrage 4
Das Gedankenexperiment liefert den Anstoß zur Problemfrage in Modul 5. Ableitung der speziellen Lorentztransformation, da die Galileitransformation dem experimentellen Resultat der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit widerspricht.
Materialien und Anregungen für den Unterricht
Einsteins Traum
"Einstein sieht sich im Traum auf einem Lichtstrahl durch die Galaxis reiten. In der Hand hat er eine wundersame Lichtquelle, heller als tausend Sonnen, mit der er Lichtpulse aussenden kann. Als er einen langen Lichtpuls in Flugrichtung schickt, materialisiert sich auf diesem zweiten Strahl ein Spiegelbild von ihm selbst, Zweistein. Mit wehenden Haaren und Lichtquelle unter dem Arm, mit der Zweistein die Sterne anblinkt. Auch Zweistein blinkt irgendwann in Flugrichtung. Dreistein erscheint auf diesem Strahl ... " Die Schülerinnen und Schüler sollen überlegen, wie schnell das Licht aus der Lichtquelle von N-Stein ist.
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- lorentz_modul_4_ab.rtf
Arbeitsblatt mit dem Text zu Einsteins fiktivem Ritt auf dem Lichtstrahl.
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Arbeitsblatt mit dem Text zu Einsteins fiktivem Ritt auf dem Lichtstrahl.
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Modifizierung der Postulate für den Unterricht
Für die Einsteinschen Postulate wird eine gegenüber der Originalformulierung modifizierte Form empfohlen. Sie werden als Lösung der Diskrepanz zwischen Messung und Konsequenzen der Galileitransformation betrachtet:P1
Alle Inertialsysteme sind bezüglich aller Gesetze der Physik gleichberechtigt.P2
Die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum hat immer und überall den konstanten Wert c.
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- 5. Ableitung der speziellen Lorentztransformation
Nachdem mithilfe des Gedankenexperimentes "Einsteins Traum" erkannt wurde, dass die Galileitransformation modifizierungsbedürftig ist, steht die Frage nach der Form der neuen Transformation im Raum.
