Relativistische Masse
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- Опубликовано: 19 май 2024
- In diesem Video geht es um die extrem verblüffende Tatsache, dass die Masse eines Objekts bei sehr hohen Geschwindigkeiten anwächst. Ein Auto mit einer Masse von 1 t hat zum Beispiel bei 99,995 % der Lichtgeschwindigkeit 100 t! In diesem Video erkläre ich, warum sich diese Massenzunahme im Rahmen der SRT zwangsläufig ergeben muss und warum man sie im LHC am CERN präzise berücksichtigen muss, damit die Experimente unfallfrei ablaufen. Und ich liefere eine Erklärung dafür, warum Raumschiffe leider niemals exakt Lichtgeschwindigkeit er-reichen können.
Наука
Großes Kompliment! Diese Videos sind didaktisch wunderbar gestaltet , sodaß auch Nichtphysikern , eben Otto Normalverbraucher die Essenz hervorragend erklärt wird . Vielen Dank ! 🙏
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Gutes Video. Muss mich aber mehr mit dieser Thematik befassen um dies alles besser zu verstehen. Hier mal eine Frage zu den Protonen im LHC die dort auf 99,999999 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die Erde hat ja mehrere kosmische Geschwindigkeiten (um die Sonne, um das Zentrum der Galaxie, auf die Andromeda Galaxie zu usw.) was in der Summe ca. 350 Km/s ausmachen soll. Dies sind 0,12 % der Lichtgeschwindigkeit. Addiert man nun diese beiden Zahlen kommt man auf Überlichtgeschwindigkeit der Protonen. Wie kann das sein? Und wieso ist eigentlich immer
von "Ruhemasse" in diesem Zusammenhang die Rede, wenn sich die Erde derart schnell durch den kosmischen Raum bewegt?
c kann in keinem Bezugssystem überschritten werden. Wenn sich ein Zug mit halber Lichtgeschwindigkeit von mir weg bewegt und in drinnen leuchtet jemand mit einem Lichtstrahl nach vorne, dann bewegt sich der Strahl trotzdem nur mit Lichtgeschwindigkeit von mir weg und nicht mit 1,5c. Das wird durch die relativistische Geschwindigkeitsaddition beschrieben (zb homepage.univie.ac.at/franz.embacher/SRT/Geschwindigkeitsaddition.html)und ich deute es auch im ersten Video dieser Serie kurz an. Die Protonen am CERN sind also egal aus welcher Sicht immer unterlichtschnell!
Hallo Herr Apolin, das ist das erste Video von Ihnen, bei dem ich leichte Verständnisprobleme habe. Meine aktueller Kenntnisstand:
1) Ja, genau so wie Sie es beschreiben habe ich das vor Jahrzehnten im Grundstudium auch gelernt
2) Ja, genau so wie Sie es beschreiben findet sich die "relativistische Masse" in etwa 50% der vorhandenen Print- und Online-Literatur wieder ... vorwiegend für Schüler als Zielgruppe.
3) In den anderen 50% aber nicht. Hier wird nur von einem relativistischem Impuls gesprochen, aber nicht von eine relativistischen Masse ... vorwiegend für Studenten als Zielgruppe.
4) In einem Interview mit Albert Einstein sagt dieser etwas nebulös (Quelle müsste ich noch heraus suchen), dass er es nicht empfiehlt von einer relativistischen Masse zu sprechen (und entsprechend auch nicht von einer "Ruhemasse"), da dies nicht vollumfänglich der beobachtbaren Realität entspricht. Viel mehr empfiehlt er von einer unveränderlichen Masse und einem relativistischen Impuls zu sprechen.
Nach meinem Kenntnisstand berechnet sich der relativistische Impuls als p = gamma * m * v ... wobei p und v jeweils Vektoren sind und m ein Skalar. Diesen Gamma-Faktor gibt es zwar in der Gleichung, aber er sollte nicht mit der Masse verrechnet werden. Es würde mir nicht sehr plausibel erscheinen, wenn relativistische Effekte immer nur in Bewegungsrichtung zu beobachten sind (wenn man der Zeit in ihrer Raumzeit auch eine Bewegungsrichtung zugesteht) ... ausgerechnet bei der Masse aber nicht. Wenn dies stimmen sollte, dann wären nur bei der Masse relativistische Effekte auch quer zur Bewegungsrichtung erkennbar, Zeitdilatation und Längenkontraktion aber nicht. Das erscheint mir momentan nicht sehr plausibel zu sein.
Insofern vermute ich (und das ist jetzt wirklich nur eine Mutmaßung ... da müsste ich noch einmal konkret suchen) benötigt der LHC die enorm Magnete nicht zum Ausgleich der relativistisch anwachsenden Zentrifugalkräfte (quer zur Bewegungsrichtung) sondern zur Beschleunigung der Massen und ihrem (relativistisch, vektoriellen) Impuls in Bewegungsrichtung.
Also in meiner Literatur, die sich an Studenten wendet, findet sich sehr wohl auch die Gleichung zur dynamischen Masse, z.B. im Gerthsen. Ich orientiere mich außerdem gerne an der Seite des österr. Physikers Franz Embacher, der sich sehr mit der RT (und auch ihrer Didaktik) beschäftigt hat: homepage.univie.ac.at/franz.embacher/SRT/Impuls.html.
Was den LHC betrifft: Wenn die Protonen einmal auf Tempo sind, dann braucht man die Kraft tatsächlich zur Ablenkung quer zur Flugrichtung. (Träge) Masse definiert sich ja dadurch, wie viel Kraft man braucht, ein Objekt zu beschleunigen, und das schließt auch eine Querbeschleunigung ein.
Man kann es ja auch so sehen: Sie "pumpen" quasi Energie in das Teilchen, das beschleunigt wird. Und diese Energie steckt dann über E=mc^2 in der Masse des Teilchens.
Vielen Dank. Ich glaube, die Angelegenheit ist etwas komplizierter, als man sich das im ersten Moment vorstellt. Mich würde interessieren, was Sie zu dem Wikipedia-Artikel zur „Masse“ sagen. Die Quintessenz dort: In der modernen Physik wird die Masse als lorentzinvariante Größe bezeichnet … sprich: Das Konzept der Ruhe- und Bewegtmasse wird heute nicht mehr verwendet. Als plakatives Beispiel wird genannt: Die Uhr einer an einem ruhenden Beobachter vorbei fahrenden Person scheint zwar langsamer zu ticken, aber die Waage, auf die er steht, zeigt kein höheres Gewicht an.
Es gibt wohl auch Betrachtungsweisen, bei denen die Masse nicht lorentzinvariant ist (witzigerweise von Hendrik Antoon Lorentz selbst ins Leben gerufen). Diese ist in mancherlei Hinsicht vorteilhaft (z. B. aus didaktischen Gründen), führt aber bei manchen Fragestellungen zu einem falschen Ergebnis, wie etwa bei der Verwendung im zweiten Newton‘schen Gesetz. In der Literatur (so Wikipedia weiter) überwiegt die Verwendung der „relativistischen Masse“, seit den 1970er Jahren ist sie aber rückläufig. Besonders bemerkenswert finde ich den Hinweis, dass die Existenz einer relativistischen Masse experimentell nicht nachgewiesen werden kann und das der zugehörige Disput eher sprachlicher und weniger physikalischer Natur ist.
@@Astro-Peter Danke für das Update zur Causa. Ich habe die Zeit grad nicht, damit ich mich in den Wiki-Artikel vertiefe - aber Sie waren ja so freundlich, mir die Quintessenz zusammenzufassen. ;-) Spannend, offenbar bin ich da oldschool! Mir sind über die Jahre in diversen Büchern eigentlich immer die Varianten mit der relativistischen Masse über den Weg gelaufen. Als Österreicher stehe ich außerdem in der Tradition von Roman Ulrich Sexl, der sich wissenschaftlich sehr intensiv mit der RT auseinandergesetzt hat und auch einiges publiziert hat - und der sich damals in den 1970er auch didaktisch sehr modern der Sache genähert hat. Die "Herleitung" mit dem Crash habe ich ursprünglich aus seinen Büchern aus den 1970ern ("Raum-Zeit-Relativität, Roman Sexl und Herbert K. Schmidt; 1. Auflage 1978).
Aber es stimmt natürlich, dass man die Masse isoliert nicht messen kann, sondern immer nur den Impuls. Also ist es letztlich, wie sie schreiben, auch eine sprachliche Geschichte bzw. eine Frage der Interpretation. Ein bisschen erinnert mich das an Schrödingers Katze. Auch da ist klar: Man weiß erst, ob die Katze tot ist, wenn man die Box öffnet. Der Rest ist Interpretation und deshalb gibt es auch die Kopenhagener Deutung, die Viele-Welten-Hypothese und die Dekohärenz.
@@MartinApolin : Die Sache mit der relativistischen Masse führt uns IMO mal wieder vor Augen, dass Naturwissenschaft eben mit Modellen der Realität arbeitet und Modelle sind dann korrekt, wenn sie für den Zweck, für den man sie einsetzt, funktionieren. Das Modell der relativistischen Masse funktioniert in weiten Bereichen der Betrachtungen - ganz zweifellos - und damit ist es auch nicht per se falsch. Aber dann gibt es auch noch diese anderen Aspekte, für die es nicht funktioniert und die Kunst ist es, die Grenzen zu erkennen. Eigentlich keine neue Erkenntnis in der Physik.
Ich habe inzwischen zum Thema das (wirklich sehr umfassende) Vorlesungs-Script eines Physik-Professors gefunden, der mutmaßlich am Cern gearbeitet hatte. Beim ersten Versuch das Script quer zu lesen habe ich nahezu kein Wort verstanden. Da darin bei der Berechnung der Lorentzkraft (für mich überraschend) ein Gamma-Faktor auftaucht (so wie Sie das in Ihrem Video postuliert haben), vermute ich, dass ich einige Erkenntnisse gewinnen kann, wenn ich das Script durcharbeite. Das wird aber einige Zeit in Anspruch nehmen. Ich finde es faszinierend, dass man immer wieder Themen findet, die es Wert sind Zeit zu investieren und verstanden zu werden. Physik ist einfach wunderbar 🙂
Danke für das Video. Aber ich habe da ein Bild im Kopf, mit dem ich immer noch nicht klarkomme:
Angenommen, die Erde flöge mit fast c an mir vorüber, ihre Massenzunahme wäre für mich als ruhenden Beobachter also gigantisch. Müsste ich dann nicht sehen, wie ihre Gebirge kollabieren uns sie zu einer riesigen Billardkugel komprimiert wird? Oder gar zu einem Schwarzen Loch? Die Erdbewohner merken natürlich nichts davon, sie können sich selbst ja als ruhend betrachten.
Aber wenn die Erde nun abbremst, wendet und zurückkommt, dann doch wohl nicht als SL?
Oder, simpler gefragt, krümmt auch dynamische Masse den Raum?
Relativistische Effekte sind eigentlich immer nur in anderen, relativ zum Beobachter bewegten Systeme zu finden ... nie aber im eigenen Bezugssystem. Wenn es diese relativistische Massenzunahme gibt (womit ich aktuell noch meine Probleme habe ... hoffentlich kann mich da Herr Apolin noch erhellen), dann ist sie auf der Erde selbst nicht feststellbar. Insofern gäbe es auch keinen Grund, warum die Erde zu einem schwarzen Loch kollabieren sollte. Wir sprechen übrigens gerade über die SRT. Die Raumkrümmung wäre ein Effekt der ART.
Man darf bei diesen Gedankenexperimenten jetzt auch nicht zu utopisch werden ... Natürlich würde die Erde kollabieren und das unabhängig vom Bezugssystem .
@@christoph_978 Auch wenn mein Beispiel noch so utopisch klingen mag, prinzipiell ändert das ja nichts an meiner Frage, ob dynamische Masse Schwerkraft erzeugt. Und warum sollte die Erde kollabieren, wenn ihre Bewohner sie gemäß Relativität als ruhend betrachten können?
Denke mir jede Masse ist dynamisch, mit Außnahme von Licht. Und Gravitation ist nur eine Illusion der Raumkrümmung durch Masse. Hoffe das hilft.
@@elijahjohn4482 Danke für die Antwort, aber sie erklärt nicht meine Frage, ob die relativistische Massenzunahme eine stärkere Krümmung des Raumes um das bewegte Objekt herum zur Folge hat (aus Sicht eines ruhenden Beobachters).