mini|312px|Aufbau des Michelson-Interferometers Tests der speziellen Relativitätstheorie werden bis heute durchgeführt. Sie waren für die Entwicklung und Akzeptanz der Theorie von entscheidender Bedeutung; moderne Experimente ergeben weiterhin Übereinstimmung mit der Theorie. Entgegen populären Darstellungen ist die spezielle Relativitätstheorie nicht bloß das Ergebnis von Gedankenexperimenten und wurde nicht nur zur Erklärung eines einzelnen Versuchsergebnisses, des berühmten Michelson-Morley-Experiments, entwickelt. Die Stärke der Theorie liegt vielmehr darin, dass sie die einzige ist, die mehrere grundverschiedene Experimente widerspruchsfrei erklären kann. Neben den klassischen Experimenten gibt es heute Tests der Theorie auch z. B. im experimentell schwer zugänglichen Bereich der Planck-Skala oder in der Neutrino-Physik. Bislang bestätigen auch deren Resultate die Vorhersagen der Theorie. Zusammenstellungen diverser Tests wurden von Jakob Laub, Zhang, Mattingly, Clifford Will und Roberts/Schleif gegeben.
Der Gültigkeitsbereich der speziellen Relativitätstheorie ist eingeschränkt auf alle Phänomene in der „flachen Raumzeit“, d. h. alle gleichförmigen und beschleunigten Bewegungen bei Abwesenheit der Gravitation. Letztere behandelt die allgemeine Relativitätstheorie; für die entsprechenden experimentellen Tests siehe Tests der allgemeinen Relativitätstheorie.
Experimente, die den Weg zur SRT ebneten
Die im 19. Jahrhundert vorherrschende Theorie war diejenige des ruhenden Äthers, eines Mediums, in dem sich Licht ausbreitet, wie sich etwa der Schall in Luft ausbreitet. Daraus folgt, dass sich Licht in diesem Äther konstant und unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle ausbreitet. Ein Beobachter, der sich relativ zu diesem Äther bewegt, müsste folglich eine Art „Ätherwind“ messen können, genauso wie ein relativ zur Luft bewegter Beobachter einen Fahrtwind bemerken muss.
Experimente erster Ordnung mini|Das Fizeau-Experiment, 1851 Es wurden nun eine Reihe optischer Experimente durchgeführt, die trotz ihrer relativen Ungenauigkeit eigentlich ein positives Resultat hätten erbringen müssen, wenn der Äther vollständig in Ruhe wäre. Doch konnte dieses Problem von Augustin Jean Fresnel (1818) durch Einführung einer Hilfshypothese gelöst werden. Er führte den sogenannten fresnelschen Mitführungskoeffizienten ein, der besagt, dass ein Bruchteil des Äthers abhängig vom Brechungsindex der Materie mitgeführt wird. Die Notwendigkeit dieses Mitführungskoeffizienten in der Äthertheorie wurde direkt durch das Fizeau-Experiment (1851) nachgewiesen. Später konnte gezeigt werden, dass alle optischen Ätherdriftexperimente erster Ordnung aus diesem Grund ein negatives Resultat erbringen müssen. Daneben wurden auch elektrostatische Experimente durchgeführt. Deren negatives Ergebnis konnte mit der Theorie von Fresnel nicht erklärt werden, und so musste Hendrik Antoon Lorentz (1892, 1895) eine Reihe von Hilfsvariablen für bewegte Beobachter einführen. Dazu gehört eine Ortsvariable, gemäß der sich elektrostatische Felder in Bewegungsrichtung kontrahieren, und eine Zeitvariable, gemäß der die Zeitkoordinaten vom jeweiligen Ort abhängen, die sogenannte „Ortszeit“. Dadurch war sichergestellt, dass alle optischen und elektrostatischen Experimente erster Ordnung ein negatives Resultat erbringen mussten.
Experimente zweiter Ordnung mini|Originalgetreuer Nachbau des Michelson-Experiments, 1881 Die Fresnel-Lorentzsche Theorie des ruhenden Äthers musste allerdings positive Resultate erbringen, wenn die Experimente genau genug waren, um Größen zweiter Ordnung in v/c messen zu können. Das erste Experiment dieser Art war das Michelson-Morley-Experiment (1881, 1887), mit dem mittels eines Interferometers, mit Hilfe dessen zwei Strahlen senkrecht zueinander gespiegelt und wieder zusammengeführt wurden, die Veränderung der Strecke bzw. der relativen Lichtgeschwindigkeiten im Ätherwind gemessen werden sollte. Das Ergebnis war jedoch negativ. Der einzige Ausweg, um dieses Ergebnis mit einem ruhenden Äther vereinbar zu machen, war die von George Francis FitzGerald (1889) und Lorentz (1892) aufgestellte Kontraktionshypothese. Diese besagt, dass (wie vorher schon bekannt war) nicht nur elektrostatische Felder kontrahieren, sondern auch die Bindungskräfte in der Materie davon betroffen sind, und somit die Materie selbst dieser Kontraktion unterworfen ist. Dies wurde plausibel gemacht durch die Annahme, dass die Bindungskräfte selbst elektrischer Natur sind. Da jedoch kein zwingender theoretischer Grund für diese Annahme gebracht werden konnte, wurde die Längenkontraktion als Ad-hoc-Hypothese angesehen.
Neben dem optischen Michelson-Morley-Experiment wurde 1903 auch dessen elektrodynamisches Äquivalent durchgeführt – das Trouton-Noble-Experiment. Hier sollte gezeigt werden, dass ein im Äther bewegter Kondensator ein Drehmoment aufweist. Doch auch hier war das Ergebnis negativ. Auch die Längenkontraktion wurde durch die Experimente von Rayleigh und Brace (1902, 1904) einer direkten Prüfung unterworfen, denn es wurde angenommen, dass diese zur Doppelbrechung führt – abermals war das Ergebnis negativ. (Das später durchgeführte Trouton-Rankine-Experiment (1908), welches nachweisen sollte, ob die Längenkontraktion einen Einfluss auf den Widerstand einer Spule hat, verlief ebenfalls negativ.)
Um nun alle vor 1904 durchgeführten Experimente zu erklären, musste Lorentz seine Theorie abermals erweitern, und führte deswegen im Rahmen der Lorentzschen Äthertheorie die vollständige Lorentz-Transformation ein, und Henri Poincaré erklärte (1905), dass die Nichtexistenz einer absoluten Bewegung (Relativitätsprinzip) offenbar ein Naturgesetz ist.
Widerlegungen des bewegten Äthers mini|Lodges Experiment zur Äthermitführung mit rotierenden Scheiben.
Die Idee, dass der Äther vollständig innerhalb bzw. in der Nähe der Erde mitgeführt wird, wodurch die negativen Ätherdriftexperimente erklärt werden könnten, wurde widerlegt durch das Fizeau-Experiment, die Experimente von Oliver Lodge (1893), der anhand von rotierenden Scheiben herausfinden wollte, ob der Äther mitgeführt wird, das Hammar-Experiment (1935), bei dem ein Interferometerarm mit Blei umhüllt wurde und der andere freilag, den Sagnac-Effekt und durch die Existenz der Aberration des Lichtes. Auch die Annahme, dass die Mitführung proportional der Masse sei und somit nur für die Erde als Ganzes zutrifft, wurde durch das Michelson-Gale-Experiment (Messung des Sagnac-Effekts durch die Erdrotation) widerlegt.
Spezielle Relativitätstheorie Ausgangssituation Albert Einstein zeigte 1905, dass folgende Modelle und Experimente nur dann ein logisch stimmiges Ganzes ergeben, wenn die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen und das Relativitätsprinzip angenommen werden: die Maxwell-Lorentzsche Elektrodynamik (Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Quellengeschwindigkeit) die elektromagnetische Induktion ist nur von der Relativbewegung abhängig die negativen Ätherdriftexperimente (kein bevorzugtes Bezugssystem) die Aberration des Lichtes und das Fizeau-Experiment (keine vollständige Äthermitführung) Das Ergebnis ist die spezielle Relativitätstheorie, in der die Konzepte von Raum und Zeit einer grundlegenden Revision unterworfen werden und die Galilei-Transformation durch die Lorentz-Transformation ersetzt wird. Die Lorentz-Transformation ist nun keine Ansammlung von Hilfsvariablen (wie noch bei Lorentz) mehr, sondern betrifft das Wesen von Raum und Zeit und spiegelt eine grundlegende (Lorentz-)Symmetrie wider, wobei sie zusätzlich die Grundlage für erfolgreiche Theorien wie das Standardmodell ist. Für den materiellen Äther als ein mit einem Bewegungszustand ausgestattetes, bevorzugtes Bezugssystem war von nun an kein Platz mehr. Mit dieser Lorentz-Symmetrie bzw. -Invarianz sind eine Reihe experimentell überprüfbarer Voraussagen verbunden:
RelativitätsprinzipKonstanz der LichtgeschwindigkeitZeitdilatationJeder gleichförmig bewegte Bewegte (der also in einem Inertialsystem ruht) ist mit Hilfe einer mitbewegten Experimentalanordnung nicht in der Lage, seinen „absoluten“ Bewegungszustand zu messen.In allen Inertialsystemen ist die gemessene Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle in allen Richtungen gleich (Isotropie) und kann auch von massebehafteten Körpern nicht überschritten werden.Eine Uhr C (also jeder periodische Prozess), welche zwischen zwei in einem Inertialsystem ruhenden und synchronisierten Uhren A und B hin- und herbewegt wird, geht gegenüber den Uhren A und B nach.Daneben existieren noch weitere relativistische Effekte wie Längenkontraktion, Dopplereffekt, Aberration etc. Ebenso sind damit die experimentellen Vorhersagen relativistischer Theorien wie des Standardmodells verbunden.
Grundlegende Experimente mini|250px|Das Kennedy-Thorndike-Experiment Alle Aussagen der SRT können phänomenologisch aus folgenden drei Experimenten abgeleitet werden:
Michelson-Morley-Experiment, mit dem die Richtungsabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit bezüglich eines bevorzugten Bezugssystems getestet wird. Dadurch wird das Verhältnis zwischen longitudinalen und transversalen Längen bewegter Körper bestimmt. Kennedy-Thorndike-Experiment, mit dem die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Relativgeschwindigkeit des Messapparats bezüglich eines bevorzugten Bezugssystems getestet wird. Dadurch wird das Verhältnis zwischen longitudinaler Länge und der Dauer der Zeitabläufe bewegter Körper bestimmt. Ives-Stilwell-Experiment, mit dem der relativistische Dopplereffekt und damit die Zeitdilatation nachgewiesen wird.
Aus diesen Experimenten und unter Voraussetzung der Poincaré-Einstein-Synchronisation folgt die komplette Lorentz-Transformation, wobei der Lorentz-Faktor ist:
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Die Kombination dieser Experimente ist nicht nur wichtig für die phänomenologische Herleitung der Lorentz-Transformation, sondern auch, weil für sich alleine genommen die meisten Experimente mehrdeutig interpretierbar sind. Beispielsweise können Isotropieexperimente wie das Michelson-Morley-Experiment auch als einfache Konsequenz des Relativitätsprinzips angesehen werden, wonach jeder Beobachter sich als ruhend ansehen kann. Damit sind diese Experimente auch mit Galilei-invarianten Theorien wie der Emissionstheorie oder der vollständigen Äthermitführung verträglich, in denen die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant ist. Erst durch die Hinzunahme anderer Experimente, welche die konkurrierenden Galilei-invarianten Theorien ausschließen (wie das Ives-Stilwell-Experiment oder die Widerlegungen der Äthermitführung oder der Emissionstheorie) verbleibt lediglich die Lorentzinvarianz und somit die SRT als einzige Theorie, welche alle Experimente erklären kann.
Einige Tests der speziellen RelativitätstheorieIsotropie/Konstanz der LichtgeschwindigkeitMichelson-Morley-Experiment • Resonator-Experimente • Kennedy-Thorndike-Experiment • Mößbauer-Rotor-Experiment • Hammar-Experiment • Messungen der NeutrinogeschwindigkeitLorentzinvarianzHughes-Drever-Experiment • Moderne Tests der Lorentzinvarianz • Trouton-Noble-Experiment • Experimente von Rayleigh und Brace • Trouton-Rankine-ExperimentZeitdilatationIves-Stilwell-Experiment • Mößbauer-Rotor-Experiment • Zeitdilatation bewegter Teilchen • Hafele-Keating-ExperimentRelativistische EnergieTests der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung • Kaufmann-Bucherer-Neumann-ExperimenteSagnac/FizeauSagnac-Experiment • Fizeau-ExperimentAlternativenTests der Äthertheorie • Tests der EmissionstheorieAllgemeinEinweg-Lichtgeschwindigkeit • Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie • Standardmodellerweiterung
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Interferometrie, Resonatoren mini|250px|Michelson-Morley-Experiment mit kryogenischen optischen Resonatoren durch Müller et al. (2003), siehe Michelson-Morley-Resonator-Experimente