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Lexikon der Astronomie: Lorentz-Kontraktion

Die Lorentz-Kontraktion oder eigentlich Fitzgerald-Lorentz Kontraktion geht zurück auf die Physiker George Francis Fitzgerald (1851 – 1901) und Hendrik Antoon Lorentz (1853 – 1928). Zusammen mit dem Mathematiker Jules Henri Poincaré (1854 – 1912) deuteten sie 1895 mit dieser Kontraktion von Längen sowie der Zeitdilatation das Nullresultat des Michelson-Morley-Experiments (1881/87). In diesem Experiment sollte der Weltäther nachgewiesen werden, der als Trägersubstanz der Lichtwellen postuliert wurde. Das Nullresultat bestand darin, dass sich das Licht auf allen Laufstrecken mit gleicher konstanter Geschwindigkeit ausbreitete. Fitzgerald, Lorentz und Poincaré hielten dennoch am Weltäther fest und postulierten ad hoc die Längenkontraktion und die Zeitdilatation, die die Messgeräte entsprechend beeinflussen mögen, so dass das Nullresultat zustande kommt. Die Lorentz-Transformation stellte gerade die Mathematik, um diese Mechanismen zu beschreiben.

Weg mit dem Äther!

Albert Einstein schlug vor, gänzlich auf den Weltäther zu verzichten. Seine Spezielle Relativitätstheorie (SRT) postuliert nur die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und das Relativitätsprinzip. Auf diese Weise lässt sich das Nullresultat sehr elegant erklären. Die Lorentz-Transformation stellte sich als richtig heraus, nicht hingegen die damit verbundene ursprüngliche Interpretation von Fitzgerald, Lorentz und Poincaré. Erst Einstein gelang es, eine neue, revolutionäre Sichtweise von Raum und Zeit zu etablieren.

Lorentz-Kontraktion von Atomkernen

Ein relativistischer Effekt

In der Relativitätstheorie beschreibt die Lorentz- oder Längenkontraktion einen relativistischen Effekt, wo ein relativistisch bewegter Körper eine Längenverkürzung in Bewegungsrichtung erfährt und zwar gerade um den Lorentz-Faktor oder Γ-Faktor (1-(v/c)2)-1/2. Mathematisch geht dies auf die Eigenschaften der Speziellen Lorentz-Transformation zurück, die gerade zwischen zwei verschiedenen Inertialsystemen vermittelt. Geschwindigkeiten in der Relativitätstheorie misst man meist in Einheiten der Lichtgeschwindigkeit c. Daher bietet sich die dimensionslose Größe v/c an, die man üblicherweise mit β abkürzt.

Keine Science-Fiction!

Die Lorentz-Kontraktion wurde auch experimentell nachgewiesen. So werden in Teilchenbeschleunigern im Ruhesystem kugelförmig erscheinende schwere Ionen, die aus vielen Nukleonen bestehen, in Bewegungsrichtung gestaucht (siehe Abbildung oben rechts: Gegenüberstellung von mitbewegten und statischen Beobachtersystemen). Die lorentz-kontrahierten, schweren Ionen haben deshalb im Laborsystem eine abgeflachte Gestalt und ähneln eher einem Pfannkuchen als einer Kugel. Es ist sehr beeindruckend, dass Einstein diesen Sachverhalt bereits in seinem Wunderjahr 1905 im legendären Papier Zur Elektrodynamik bewegter Körper berechnete! Freilich war dort nicht die Rede von lorentz-kontrahierten Atomkernen, doch führte er die Rechnung explizit vor (§4), wie eine Kugel zu einem Rotationsellipsoid via Lorentz-Boost deformiert wird.

2. relativistischer Effekt: Zeitdilatation

Der mit der Lorentz-Kontraktion verwandte relativistische Effekt heißt Zeitdilatation und wirkt sich allerdings auf Zeitintervalle aus.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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