Hi,
ich formuliere hier etwas mystisch, um Interesse zu wecken. Ich möchte deswegen vorab betonen, dass ich hier nur den Stand der Wissenschaft, also den Mainstream, verkaufen will, und nicht irgendwelche privaten Deutungen, die man getrost anzweifeln sollte. Nach heutigem Wissen ist das die einzig sinnvolle Antwort, man kann sie von vornherein ablehnen oder sich damit beschäftigen. Es gibt aber keinen anderen Weg, auch das fortgeschrittenste Lehrbuch wird dasselbe übermitteln, wenn auch wahrscheinlich besser.
Jetzt beobachten (messen) wir aber relativistische Effekte.
Wir wissen was bei hohen Geschwindigkeiten nahe c passiert, aber WARUM ist das so ?
Was passiert da in dem einen Bezugssystem und was in dem anderen ?
Welche physikalischen Vorgänge sind dafür verantwortlich ?
Hat es etwas mit der Quantenmechanik zu tun ?
Kann mir die String-Theorie da weiterhelfen ?
Versteht ihr, was ich meine ?
Gibt es dafür eine Erklärung, so wie wir andere physikalische Phänomene erklären können ?
Oder tappen wir da wie bei der Quantenmechanik noch im dunkeln
und müssen uns mit "Deutungen" begnügen ?
Es gibt eine Antwort. Jeder kennt ihren Namen, jeder weiß, dass sie etwas abstrakt ist und ordentlich Neudenken erfordert. Wenige wissen, dass sie, obwohl vollkommen ungewohnt und kaum vorstellbar, eigentlich ganz einfach ist, und dass für die Anwendung der Antwort auf konkrete Probleme meistens nur Mathematik der 8. Klasse gebraucht wird.
Die Antwort wird nicht an den Schulen, in der Populärwissenschaft oder vor dem Vordiplom gelehrt, wahrscheinlich weil der Aufwand nicht dafür steht.
Ich weiss, dass viele damit nichts anfangen können, eben weil es abstrak wird und nicht einfach irgendwelche handfesten mysteriösen Kräfte berufen werden, die das alles bewirken.
Also:
Was passiert da in dem einen Bezugssystem und was in dem anderen ?
Welche physikalischen Vorgänge sind dafür verantwortlich ?
Es sind keine physikalischen Vorgänge dafür verantwortlich. Könnten auch gar nicht sein, weil Bezugssysteme nichts weiter sind als abstrakte Koordinatensysteme für die Beschreibung der einen Realität. Die Wahl eines Bezugssystems kann natürlich nichts an der Realtiät ändern. Dementsprechend gibt es auch keine physikalischen Vorgänge, die mit einer solchen Wahl verbunden wären.
Gibt es dafür eine Erklärung, so wie wir andere physikalische Phänomene erklären können ?
Es gibt eine Erklärung, aber natürlich nicht nach Ursache-Wirkung. Es geht nur um verschiedene Ansichten der einen Realität, die Erklärung ist reine Geometrie.
Die Erklärung ist bekannt unter dem Namen Raumzeit. Gerne auch Raum-Zeit-Kontinuum, weil sich das nach Star Trek anhört.
Der Inhalt: Die Zeit ist wie eine weitere Koordinatenachse zu behandeln, zusätzlich zu den drei Raumachsen. Das Ganze ist tatsächlich ein Kontinuum, Raum und Zeit dürfen in den selben Einheiten gemessen werden, was für den einen Raum ist, mag für den anderen Zeit sein. Alles selbstverständlich nicht beliebig, sondern einer einfachen Geometrie gehochend.
Beispiel: Einen Treffpunkt auszumachen ist sinnvoll. Noch sinnvoller ist es aber, auch noch eine Zeit anzugeben, weil man sich sonst verpasst. Diese Koordinate braucht man immer, wenn man die Realität beschreiben will. Drei Raum-, eine Zeitkoordinate. Vier Koordinaten, das "vierdimensionale Raum-Zeit-Kontinuum". Mehr ist erstmal nicht dahinter.
Also:
Ein "Ereignis" ist ein Punkt in der Raumzeit. Treffen dort um soundsoviel Uhr, vier Koordinaten, keine Ausdehnung.
Ein Punkt im Raum ist eine Linie in der Raumzeit. Er ist um 12 Uhr da, um 12:00:01, 12:00:02, ... 23:23:45 undsoweiter. Eine Dimension mehr, der Punkt ist ausgedehnt in der Zeit.
Eine Strecke im Raum (z.B. ein idealisierter Meterstab) ist eine Fläche in der Raumzeit: jeder Punkt der Strecke existiert zu verschiedenen Zeiten, ausgedehnt in der Zeit. Wenn man sich das in einem Diagramm aufmalt, in dem Raum über Zeit aufgetragen wird, ist das ein Streifen.
Und so weiter. Jedes geometrische Objekt im Raum (Punkt, Strecke, Fläche, Volumen...) hat noch eine weitere Dimension, seine Ausdehnung in der Zeit. Wenn man das ernst nimmt, hat man den Kern der SRT schon verstanden und kann die ganzen Dilatationen und Kontraktionen und Paradoxa gleich mit verstehen.
Beispiel Meterstab: er ist keine Linie, sondern eine Fläche, ein Streifen in der Raumzeit. Wenn ich nach der Länge des Stabes frage, will ich eigentlich die Breite des Streifens wissen.
Was ist die Breite eines Streifens? Das weiß jeder, seine Ausdehnung
sekrecht zum Rand. Das ist auch genau die Länge des Stabes in der SRT: die Ausdehnung des Streifens senkrecht zum Rand. Wobei "Rand" die Linien bezeichnet, die die Endpunkte des Stabes in Wirklichkeit (also in der Raumzeit) sind.
Im Diagramm kann man es schön malen: t nach oben, x nach rechts. Der Stab bewege sich nicht im gewählten Koordinatensystem. Dan gehen diese Linien gerade nach oben (x verändert sich nicht), die Breite des Streifens ist dementsprechend leicht zu messen. Das nennen wir heutzutage die "Ruhelänge" des Meterstabs.
---Ab jetzt vereinfache ich, um das Prinzip zu erklären. Das Prinzip bleibt aber gültig---
Man stelle sich genau denselben Streifen leicht gedreht vor: Die Endpunkte verändern ihre Position mit der Zeit, sie haben eine Geschwindigkeit. Die Randlinien (Endpunkte über Zeit) sind schräg.
Wenn ich jetzt die Breite des Streifens zur Zeit t=0 messe, also seine Ausdehnung längs der horizontalen X-Achse, dann messe ich natürlich einen anderen Wert. Ich habe ja nicht senkrecht zum Rand gemessen. Falsche Messung, könnte man sagen. Tut man aber (leider) nicht:
Genau so ist die "Länge" eines bewegten Stabes definiert: der Abstand der Endpunkte zur gleichen Zeit, z.B. t=0. Das ist die Längenkontraktion. Nichts physikalisches, nur eine Messung in der "falschen" Richtung.
Hinzuzufügen ist, dass ein Streifen in meinem Beispiel natürlich breiter gemessen würde, wenn man nicht sekrecht zum Rand misst.
Der Unterschied zur Realität besteht nur darin, dass die Raumzeit nicht wie gewohnt euklidisch ist sondern "pseudoeuklidisch". Ein "gedrehter", also bewegter Streifen, würde nicht länger, sondern kürzer erscheinen. Der Unterschied ist nichts weiter als ein Vorzeichen in der bekannten Formel des Pythagoras: statt "s²=t²+x²" ist der Abstand, also die wahre Abstand, der durch "Drehungen" nicht verändert wird, in der Raumzeit "s²=t²-x²"
Warum das so ist: Das liegt eine Ebene tiefer in der Hierarchie der "Warum-Fragen". Es sei nur gesagt, dass es soviel anders gar nicht sein könnte.