Was ist Längenkontraktion?
Die Längenkontraktion bezieht sich auf ein Phänomen, bei dem ein Objekt von einem Beobachter entlang der Dimension seiner Bewegung als kürzer wahrgenommen wird, wenn sich das Objekt relativ zu diesem Beobachter in Bewegung befindet. Nach den Physikern Hendrik Lorentz und George Fitzgerald wird es auch Lorentz-Kontraktion oder Lorentz-Fitzgerald-Kontraktion genannt. Je schneller sich ein Objekt relativ zum Betrachter bewegt, desto stärker zieht es sich aus der Perspektive des Betrachters zusammen. Dieser Effekt ist so gering, dass er bei Geschwindigkeiten, denen Menschen im täglichen Leben wahrscheinlich begegnen, vernachlässigbar ist. Bei Objekten, die sich mit einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegen, wird er jedoch deutlicher.
Das Phänomen der Längenkontraktion ist eine Folge der speziellen Relativitätstheorie. Nach der Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum (ungefähr 300.000 Kilometer oder 186.000 Meilen pro Sekunde) oder c für alle Beobachter immer konstant. Dies bleibt intuitiv der Fall für Licht, das von einer Quelle ausgestrahlt wird, die sich aus der Perspektive eines Betrachters bewegt.
Angenommen, ein Objekt wird in Fahrtrichtung von einem Raumschiff aus gestartet, das sich mit 5 Kilometern pro Sekunde (KPS) relativ zur Erde bewegt und es mit 1 KPS vom Schiff wegwirft. Ein Beobachter auf dem Schiff nimmt es als sich mit 1 KPS entfernend wahr, während ein Beobachter auf der Erde es als sich mit 6 KPS bewegend wahrnimmt. Wenn ein externes Licht auf dem Schiff eingeschaltet wird, erkennt der Beobachter im Schiff das Licht, das sich bei c vom Schiff entfernt. Der Beobachter auf der Erde nimmt jedoch auch das Licht wahr, das sich bei c bewegt, nicht bei c plus der Geschwindigkeit des Schiffes .
Das Ergebnis ist, dass der genaue Zeitpunkt, zu dem das Schiffslicht einen bestimmten Ort erreicht, für verschiedene Beobachter abhängig von ihrer Geschwindigkeit relativ zum Raumschiff variiert. Folglich werden sie sich nicht darüber einig sein, welche anderen Ereignisse im selben Moment stattfanden. Dies nennt man die Relativität der Gleichzeitigkeit.
Wie dies mit der erfassten Länge eines Objekts zusammenhängt, wird im folgenden Gedankenexperiment allgemein erklärt. Stellen Sie sich eine Reihe synchronisierter Uhren vor, bei denen jede Uhr messen kann, wann das linke und rechte Ende eines sich bewegenden Objekts davor verläuft. Nachdem sich ein Objekt an der Reihe von Uhren vorbeibewegt hat, kann ein Beobachter seine Länge bestimmen, indem er den Abstand berechnet, den zwei Uhren voneinander haben müssten, damit das rechte Ende des Objekts eine Uhr im selben Moment erreicht, in dem das linke Ende die zweite erreicht Uhr.
Zwei Beobachter, die sich einen Bezugsrahmen teilen, einigen sich auf die Länge. Da die Messung darauf basiert, welche Ereignisse gleichzeitig auftreten, stimmen Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, hinsichtlich der Länge nicht überein. Je höher die Geschwindigkeit eines Beobachters im Verhältnis zu den Uhren ist, desto stärker unterscheiden sich deren Messungen von denen eines Beobachters in Ruhe im Verhältnis zu ihnen.
Der Effekt der Längenkontraktion nimmt bei höheren Geschwindigkeiten zu. Ein Objekt, das sich mit 0,05 c (5 Prozent der Lichtgeschwindigkeit) und ungefähr 14.990 Kilometern (9.314 Meilen) pro Sekunde bewegt, scheint für einen stationären Beobachter nur geringfügig verkürzt zu sein - ungefähr 99,87 Prozent seiner Länge in Ruhe, wenn es parallel ausgerichtet ist auf die Linie seiner Bewegung. Die Länge, die der Beobachter sieht, verringert sich auf 97,79 Prozent seiner Ruhezeit bei 0,2 c, 91,65 Prozent bei 0,4 c und 71,41 Prozent bei 0,7 c. Bei 0,9 c verringert sich die erkannte Länge des Objekts auf 43,58 Prozent und bei 0,999 c auf nur 4,47 Prozent. Je näher die c-Kontraktion rückt, desto extremer wird sie, obwohl sich die Länge nie auf Null verringert.
Wenn sich ein Beobachter mit dem Objekt fortbewegt, nimmt dieser Beobachter das Objekt nicht als kontrahierend wahr, da die relative Geschwindigkeit des Objekts aus seiner Sicht Null ist. In dem Referenzrahmen dieses Beobachters ist das Objekt stationär, während sich der Rest des Universums relativ zum Beobachter bewegt, und aus der Perspektive dieses Beobachters ist es der Rest des Universums, der sich zusammenzieht.
Die Änderung der gemessenen Länge eines Objekts, das einer Längenkontraktion unterzogen wird, unterscheidet sich von der Art und Weise, wie das Objekt für das menschliche Auge oder eine Kamera tatsächlich visuell erscheint, da sich ein Objekt, das sich schnell genug bewegt, um eine merkliche Längenkontraktion zu erzeugen, mit einem signifikanten Prozentsatz von bewegt die Geschwindigkeit seines eigenen Lichts. Bei solchen Geschwindigkeiten erreichen Photonen, die gleichzeitig von verschiedenen Teilen des Objekts emittiert werden, den Betrachter zu merklich unterschiedlichen Zeiten, wodurch das visuelle Erscheinungsbild des Objekts verzerrt wird. Somit würde ein Objekt, das sich mit hoher Geschwindigkeit auf einen Beobachter zubewegt, verzerrt, so dass es für die visuelle Betrachtung trotz Längenkontraktion tatsächlich länger erscheint. Ein Objekt, das sich vom Beobachter wegbewegt, würde aufgrund des gleichen Zeitverzögerungseffekts zusätzlich zur tatsächlichen Längenkontraktion kürzer aussehen, und ein Objekt, das sich am Beobachter vorbeibewegt, würde schief oder gedreht erscheinen.