Die Spezielle Relativitätstheorie ist eine maßgeblich von Albert Einstein ausgearbeitete Erweiterung der Bewegungslehre der klassischen Mechanik auf Fälle, in denen sich der Beobachter bzw. dessen Bezugssystem sich mit einer Geschwindigkeit \(v\) am Geschehen vorbeibewegt, die vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit c ist. Die aus dem Alltag vertrauten Bewegungsgesetze ergeben sich jeweils im Grenzfall \(v/c \rightarrow 0\). Dabei werden allerdings nur geradlinig-gleichmäßig bewegte Bezugssysteme betrachtet (sog. Inertialsysteme), der Fall beschleunigter Bezugssysteme wird in der Allgemeinen Relativitätstheorie behandelt.
Die Relativitätstheorie (im Folgenden ist damit immer die Spezielle Relativitätstheorie gemeint) fußt auf zwei Grundannahmen bzw. Postulaten:
- Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Die Vakuumlichtgeschwindigkeit hat in allen Inertialsystemen den gleichen Wert, insbesondere kann man das Licht niemals „einholen“.
- Relativitätsprinzip: Man kann durch kein Experiment feststellen, ob man sich in einem ruhenden oder bewegten Kasten befindet, oder anders ausgedrückt: Alle physikalischen Vorgänge laufen gleich ab, egal ob wir vor ihnen sitzen oder an ihnen vorbeilaufen.
Einsteins Überlegungen über das Wesen der Geschwindigkeit führten dazu, dass er Raum und Zeit nicht mehr als absolute und unabhängige Größen ansehen konnte, sondern als zwei verknüpfte Aspekte der sog. vierdimensionalen Raumzeit (ähnlich wie Elektrizität und Magnetismus sich als vom Beobachter abhängige Aspekte des Elektromagnetismus herausgestellt hatten). Beispielsweise werden nun Raum und Zeit durch einen Vektor mit vier Komponenten beschrieben, und der Übergang von einem Bezugssystem zu einem anderen durch die Multiplikation mit einer \(4\times 4\)-„Drehmatrix“. Dabei ändern sich beim Wechsel des Bezugssystems die jeweils gemessenen Längen und Zeitdauern, man spricht man Längenkontraktion und Zeitdilatation.
Weitere Konsequenzen sind:
- Relativität der Gleichzeitigkeit: Ereignisse, die im einen Bezugssystem gleichzeitig stattfinden, laufen im anderen möglicherweise nacheinander ab.
- Relativistische Massenzunahme: Je mehr sich die Geschwindigkeit eines Körpers aus Sicht des gewählten Bezugssystems der Lichtgeschwindigkeit annähert, desto schwieriger wird es, ihn weiter zu beschleunigen, also desto größer wird seine träge Masse.
- Tempolimit Lichtgeschwindigkeit: Es ist unmöglich, auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, und erst recht, schneller als das Licht zu sein. Nur Teilchen, die keine Ruhemasse haben (wie das Lichtquant bzw. Photon), bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit – und zwar immer und überall.
- Äquivalenz von Masse und Energie: Masse und Gesamtenergie eines Objekts sind einander proportional.