Paradoxon und Formelsammlung Relativitätstheorie: Unterschied zwischen den Seiten

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[[Datei:Penrose-dreieck.svg|mini|Das Penrose-Dreieck erweckt den Anschein, es handele sich um eine geschlossene dreidimensionale Struktur aus drei rechten Winkeln, was in der euklidischen Geometrie jedoch unmöglich ist.]]
= SRT (Spezielle Relativitätstheorie) =


Ein '''Paradoxon''' ([[Wikipedia:Plural|Plural]] ''Paradoxa''; auch ''Paradox'' oder ''Paradoxie'', Plural ''Paradoxe'' bzw. ''Paradoxien''; vom [[Altgriechische Sprache|altgriechischen]] Adjektiv {{lang|grc|παράδοξος}} ''parádoxos'' „wider Erwarten, wider die gewöhnliche Meinung, unerwartet, unglaublich“<ref>Wilhelm Pape, Max Sengebusch (Bearb.): ''Handwörterbuch der griechischen Sprache.'' 3. Auflage, Braunschweig 1914.</ref>) ist ein Befund, eine Aussage oder Erscheinung, die dem allgemein Erwarteten, der herrschenden Meinung oder Ähnlichem auf unerwartete Weise zuwiderläuft oder beim üblichen Verständnis der betroffenen Gegenstände bzw. Begriffe zu einem [[Kontradiktion|Widerspruch]] führt.<ref>Arnim Regenbogen, Uwe Meyer: ''Wörterbuch der Philosophischen Begriffe'', Hamburg: Meiner 1997, ISBN 978-3787313259.</ref> Die Analyse von Paradoxien kann zu einem tieferen Verständnis der betreffenden Gegenstände bzw. Begriffe oder Situationen führen, was den Widerspruch im besten Fall auflöst. Einzelne Paradoxa sind in der [[Wikipedia:Liste von Paradoxa|Liste von Paradoxa]] zu finden.
== Gebräuchliche Abkürzungen ==


== Formen ==
Geschwindigkeit ''v'' relativ zur Lichtgeschwindigkeit ''c'':
[[Datei:Bundesarchiv B 145 Bild-F088808-0036, Berlin, East Side Gallery.jpg|mini|[[Erich Fried|Fried]]-Zitat auf einem Rest der [[Berliner Mauer]]]]
Es existieren verschiedene Formen des Paradoxons:


# ''logische Paradoxa'' – Widersprüchlichkeit als Folge der Negation von [[Selbstreferenzialität|Selbstbezüglichkeit]], d.&nbsp;h. wenn eine auf sich selbst anwendbare Aussage [[Negation|negiert]] wird. Sie sind mit der [[Russellsche Antinomie|Russellschen Antinomie]] verwandt. Ein Beispiel ist das sogenannte [[Lügner-Paradox]] des [[Eubulides]]:
:<math>\beta := \frac {v} {c} = \tanh \theta.</math>
#: ''Dieser Satz ist falsch.'' (Eine solche Aussage ist wahr, wenn sie falsch ist, und falsch, wenn sie wahr ist.) Eine besondere Form des selbstbezüglichen Widerspruchs ist der sogenannte ''[[retorsion|performative Widerspruch]]'' zwischen propositionalem Gehalt und performativem Gehalt.
# ''metaphysische Paradoxa'' – Phänomene, die mit den zur Verfügung stehenden Mitteln nicht begreifbar sind oder sich der Begreifbarkeit prinzipiell entziehen. Hierzu gehört
#: die Frage nach der Endlichkeit beziehungsweise der [[Unendlichkeit]] von Raum und [[Zeit]]. Ein unendliches Universum scheint dem [[gesunder Menschenverstand|gesunden Menschenverstand]] ebenso zu widersprechen wie beispielsweise ein endliches: „Alles muss doch zu irgendeinem Zeitpunkt angefangen haben.“ – „Aber was war dann davor?“
# ''semantische Paradoxa''
# ''rhetorische Paradoxa'' – ein [[Rhetorisches Stilmittel]], bei dem eine tiefergehende Wahrheit durch einen Widerspruch deutlich und drastisch dargestellt werden soll (z.&nbsp;B. [[Oxymoron]]). Beispiel: ''[[Weniger ist mehr]]!''


Gemeinsam ist allen Paradoxa der Widerspruch zwischen dem Behaupteten einerseits und den Erwartungen und Beurteilungen andererseits, die sich aus vertrauten [[Heuristik|Denkheuristiken]], Vorurteilen, [[Gemeinplatz|Gemeinplätzen]], Mehrdeutigkeiten oder begrenzten Perspektiven als alltägliche Meinung (''doxa'') ergeben. Auch scheinbare Widersprüche, die sich durch genauere Analyse vollständig auflösen lassen, wirken daher im ersten Moment paradox oder galten im Laufe der Geistesgeschichte als unlösbare Paradoxa oder [[Aporie]]n. Auflösbare Paradoxien sind wahre Aussagen, deren Untersuchung – beispielsweise im Rahmen eines [[Gedankenexperiment]]s – zu wichtigen Erkenntnisfortschritten in [[Wissenschaft]], [[Philosophie]] und [[Mathematik]] führen kann, die für das Alltagsverständnis aber unerwartet oder überraschend sind. Der Widerspruch besteht hier oft nur zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Lösung. Ein Beispiel aus der Mathematik ist das [[Ziegenproblem]], das logisch und mathematisch exakt lösbar ist, aber der Erwartung vieler Menschen widerspricht.
Lorentzfaktor:


== Als ästhetisches Motiv in der Wissenschaft ==
:<math>\gamma := \frac {1}{\sqrt{1-\beta^2}} = \frac {1}{\sqrt{1- v^2 / c^2 }} = \cosh \theta</math>
Die Aufzählung der Paradoxien in den verschiedenen Wissenschaften belegt, dass das Erkennen und Lösen von Paradoxien ein bedeutendes Motiv wissenschaftlicher Arbeit sein kann.<ref name="Paál" /> Der Mathematiker [[Roger Penrose]] drückte es einmal so aus:
mit <math>v:=|\vec v|</math>.


{{Zitat|Paradoxien empfinde ich als ausgesprochen reizvoll. Sie sehen so etwas und versuchen zu verstehen, wie um Himmels Willen könnte das einen Sinn ergeben?! Selbst das ist paradox: Ich habe viel für Paradoxien übrig, und gleichzeitig will ich sie aus der Welt schaffen!|[[Gábor Paál]]|''Was ist schön? Ästhetik und Erkenntnis''. S. 205.|ref=<ref name="Paál"> Paál: ''Was ist schön?'' 2003, S. 194–206.</ref>}} Der wissenschafts-ästhetische Reiz von Paradoxien zeigt sich auch daran, dass sich Künstler wie [[M. C. Escher]] von den Paradoxien in der Mathematik und Physik inspirieren ließen. So gab es zeitweise einen engen Austausch zwischen Penrose und Escher: So hat Penrose sich als Mathematiker mit geometrisch „unmöglichen“ Formen befasst. Von ihm stammt unter anderem das berühmte [[Penrose-Dreieck]]. Escher wiederum hat diese Gedanken aufgegriffen und in seinen Grafiken umgesetzt. Auch für andere Wissenschaftler und Denker wie [[Bertrand Russell]], [[Gregory Bateson]] oder [[Arthur Koestler]] waren Paradoxien in ihren unterschiedlichen Facetten ein zentrales Thema.
Addition von Lorentzfaktoren:


== Ideologie ==
:<math>\gamma_\Sigma = \cosh ( \operatorname{arcosh} \gamma_1 + \operatorname{arcosh} \gamma_2 ) </math>
Gesellschaftliche [[Ideologie]]n enthalten in der Praxis oft paradoxe Elemente, vor allem wenn sie mit absolut gesetzten Werten wie [[Freiheit]] oder [[Gleichheit]] operieren. Beispiele: So werden, um eine „freiheitliche“ Ordnung aufrechtzuerhalten, Maßnahmen eingesetzt, die die Freiheit einschränken (z.&nbsp;B. [[McCarthy-Ära]] in den USA oder auch die aktuellen Debatten um die Einschränkung von [[Bürgerrecht]]en im [[Terrorismusbekämpfung|Anti-Terror-Kampf]]). Umgekehrt wurden in kommunistischen Ideologien, um das Ideal der „Gleichheit“ zu erhalten, Systeme etabliert, in denen einige deutlich „gleicher“ waren als andere. Praktisch alle politischen Ideologien, in denen „der Zweck die Mittel heiligt“, beinhalten diese Paradoxie: In der Durchsetzung bestimmter Werte für die Zukunft werden die gleichen Werte in der Gegenwart geopfert.


Wie bei vielen Paradoxien entsteht der Widerspruch auch hier durch die Anwendung eines Prinzips (Freiheit, Gleichheit) auf sich selbst und auf die Bedingungen, die dieses Prinzip ermöglichen sollen.
Rapidität:


== Psychologie ==
:<math>\theta := \operatorname{artanh} \beta = \frac{1}{2}\cdot \ln\left( \frac {c+v} {c-v} \right).</math>
Zu den psychologischen Paradoxien gehören Fälle, in denen Menschen sich genau entgegen der „Logik“ verhalten. Dazu gehört die sogenannte „Sei-spontan-Paradoxie“, wie es häufig in Beziehungen zum Ausdruck kommt: Die Erwartung, dass mein Gegenüber seine Entscheidungen gefälligst frei und selbständig treffen soll – und genau damit seine Unselbständigkeit unter Beweis stellen würde. Der Wunsch „Sag mir doch öfter mal spontan, dass du mich liebst!“ ist, sobald ausgesprochen, nicht mehr erfüllbar.
: „Ich liebe dich“ – „Das sagst du jetzt nur wegen meiner Bitte neulich!“.
{{siehe auch|Teufelskreis|Interpunktion (Kommunikation)}}


In den sogenannten [[Paradoxe Intervention|paradoxen Interventionen]] werden psychologische Paradoxien wiederum gezielt eingesetzt, insbesondere dann, wenn das Gegenüber (ein Kind zum Beispiel) ein trotziges Verhalten zeigt und auf Aufforderungen bewusst mit dem Gegenteil reagiert. Entsprechend wird in der paradoxen Intervention eine Erwartung geäußert, deren Gegenteil eigentlich erreicht werden soll.
Beachte auch:
:<math>\gamma \cdot \beta=\sinh\theta.</math>


Ein weiteres Beispiel für psychologische Paradoxien sind die sogenannten „gemischten Botschaften“, wenn zwischen dem, ''was'' gesagt wird, und der Art, ''wie'' es gesagt wird, ein Widerspruch besteht, zum Beispiel wenn eine Person, auf Avancen, die ihr gemacht werden, mit einem „Nein“ reagiert, dabei aber freundlich lächelt. In langdauernden Beziehungen können so die von [[Gregory Bateson]] beschriebenen sogenannten [[Doppelbindungstheorie|Double-Bind-Kommunikationsstrukturen]] entstehen, wenn also zum Beispiel einer der Partner (insbesondere in [[Eltern-Kind-Beziehung]]en) dem anderen seine Zuneigung immer mit unbewegter Mimik, emotionsloser Stimme und ohne Körperkontakt versichert.
== Galilei-Transformation ==


== Paradoxien in der Populärkultur ==
Die Galileitransformation unterstellt eine unbegrenzte Lichtgeschwindigkeit und ist daher nur für Relativgeschwindigkeiten ''|v|'' < 0,1 ''c'' eine gute Näherung. Da ''v''' = -''v'':
[[Großvater-Paradoxon]]: Ein Zeitreisender, der in der Vergangenheit seinen Großvater umbringt, würde nie geboren werden, und könnte daher seinen Großvater nicht umgebracht haben.


In ''[[Das Leben des Brian]]'' von [[Monty Python]] wird Brian gegen seinen Willen für den Messias gehalten und fordert in der „Balkonszene“ seine Anhänger auf, Individuen zu sein:
{| class="wikitable"
{|
! Galilei-Tranformation in <math>x</math>-Richtung
|''Brian'': ||Hört zu. Ihr versteht das alles falsch. Es ist wirklich nicht nötig, dass ihr mir folgt. Es ist völlig unnötig, einem Menschen zu folgen, den ihr nicht mal kennt. Ihr müsst nur an euch selbst denken. Ihr seid doch alle Individuen.
! Inverse Galilei-Transformation
|-
|-
|''Menge'': ||Ja! Wir sind alle Individuen!
|
 
:<math> t' = t </math>
 
:<math> x' = x - v \cdot t </math>
 
:<math> y' = y </math>
 
:<math> z' = z </math>
 
|
 
:<math> t = t' </math>
 
:<math> x = x' + v \cdot t' </math>
 
:<math> y = y' </math>
 
:<math> z = z' </math>
 
|}
 
== Lorentz-Transformation ==
 
{| class="wikitable"
! Lorentz-Transformation in <math>x</math>-Richtung
! Inverse Lorentz-Transformation
|-
|-
|''Brian'': ||Und ihr seid alle völlig verschieden!
|
:<math> t' = \left( t - \frac {v} {c^2} \cdot x \right) \cdot \gamma</math>
:<math> x' = \left(x - v \cdot t\right) \cdot\gamma</math>
:<math> y' = y </math>
:<math> z' = z </math>
|
:<math> t = \left( t' + \frac {v} {c^2} \cdot x' \right) \cdot \gamma</math>
:<math> x = \left(x' + v \cdot t'\right) \cdot \gamma</math>
:<math> y = y' </math>
:<math> z = z' </math>
|}
 
== Zeitdilatation ==
 
Für die Zeitdilatation eines bewegten Körpers ergibt sich die Eigenzeit <math>\tau</math> als Ablesung zwischen zwei Ortszeiten <math>\tau_o</math> im gemessenen Zeitabstand <math>t = \Delta t_o</math>:
 
:<math>\tau = \Delta \tau_o = t \cdot \sqrt{1 - v^2 / c^2} </math>
:<math>t = \Delta t_o = \frac {\tau} {\sqrt{1 - v^2 / c^2}} </math>
 
== Längenkontraktion ==
 
Die Längenkontraktion wirkt sich ausschließlich in Richtung der radialen Relativbewegung zum Beobachter aus.
Für die Längenkontraktion (Eigenlänge) eines bewegten Körpers ergibt sich:
 
:<math> L' = L_0 \cdot \sqrt{1 - v^2 / c^2} </math>
 
== Rot-/Blauverschiebung ==
 
Die Frequenzänderung setzt sich aus Zeitdilatation und Dopplerfaktor zusammen. Der Effekt des Dopplerfaktors überwiegt dabei.
 
:<math>k = f / f' = k_\gamma \cdot k_{dop} </math>
:mit ''f'' beobachtete Frequenz und ''f''' Originalfrequenz
 
Die Zeitdilatation bewirkt immer eine leichte Rotverschiebung und ist von der Richtung der Bewegung unabhängig.
 
:<math>k_\gamma := 1 / \gamma = \sqrt{1-\beta^2} </math>
 
Der Dopplereffekt ist allein von der radialen Relativbewegung abhängig und richtungsabhängig (vorzeichenbehaftet):
 
:<math> k_{dop} := 1/(1+\beta_{rad})</math>
 
Bei Annäherung zum Beobachter (''v < 0'') ergibt der Dopplereffekt eine Blauverschiebung:
 
:<math> k_{blue} = 1/(1-|\beta_{rad}|) = 1/(1-|v_{rad}|/c) </math> insgeamt also <math> k = \frac {\sqrt{1-\beta^2}} {1-|\beta_{rad}|} </math>
 
Bei Entfernung vom Beobachter (''v > 0'') ergibt der Dopplereffekt eine Rotverschiebung:
 
:<math> k_{red} = 1/(1+\beta_{rad}) = 1 / (1+v_{rad}/c) </math> insgeamt also <math> k = \frac {\sqrt{1-\beta^2}} {1+\beta_{rad}} </math>
 
Der z-Faktor ergibt sich aus
 
:<math>z := k-1</math>
 
== Kinematik ==
=== Geschwindigkeit ===
'''Definition.''' Vierergeschwindigkeit:
:<math>u^\mu := \frac{\mathrm dx^\mu}{\mathrm d\tau} = \gamma \frac{\mathrm dx^\mu}{\mathrm dt}.</math>
Es gilt:
:<math>(u^\mu) = \gamma\cdot\begin{pmatrix} c\\ \vec v\end{pmatrix}.</math>
Die Minkowski-Norm der Vierergeschwindigkeit ist konstant:
:<math>c^2 = \|(u^\mu)\|^2 = \sum_{\mu} u^\mu u_\mu.</math>
 
=== Beschleunigung ===
'''Definition.''' Viererbeschleunigung:
:<math>a^\mu := \frac{\mathrm du^\mu}{\mathrm d\tau} = \gamma \frac{\mathrm du^\mu}{\mathrm dt}.</math>
Ableitung des Lorentzfaktors:
:<math>\frac{\mathrm d\gamma}{\mathrm dt} = \frac{\gamma^3}{c^2}\langle \vec v,\vec a\rangle.</math>
Es gilt:
 
:<math>(a^\mu) = \frac{\gamma^4}{c^2}\langle\vec v,\vec a\rangle\begin{pmatrix}c\\ \vec v\end{pmatrix} + \gamma^2\begin{pmatrix}0\\ \vec a\end{pmatrix}.</math>
 
=== Klassische Addition der Geschwindigkeiten ===
 
Für die klassische Addition zweier Relativgeschwindigkeiten ergibt sich:
 
:<math> v_{ges} = v_1 + v_2 </math>
 
=== Relativistische Addition der Geschwindigkeiten ===
 
Für die relativistische Addition zweier Relativgeschwindigkeiten ergibt sich:
 
:<math> v_{ges} = \dfrac { v_1 + v_2}{1 + \dfrac {v_1 \cdot v_2}{c^2 }} = c \cdot \tanh (\theta_1 + \theta_2 \dots ) = c \cdot \tanh (\operatorname{artanh} (v_1/c) + \operatorname{artanh} (v_2/c) \dots )</math>
 
== Dynamik ==
=== Impuls ===
 
Für den relativistischen Impuls ergibt sich:
 
:<math>\vec p = \gamma m_0 \vec v.</math>
 
'''Definition.''' Viererimpuls:
 
:<math>p^\mu := m_0u^\mu.</math>
 
Es gilt:
 
:<math>(p^\mu) = \begin{pmatrix} E/c\\ \vec p\end{pmatrix} =\begin{pmatrix} \gamma m_0 c\\ \gamma m_0 \vec v\end{pmatrix} </math>
 
und:
 
:<math>\|(p^\mu)\|^2 = m_0^2 c^2.</math>
 
'''Energie-Impuls-Beziehung:'''
 
:<math>(E/c)^2 - |\vec p|^2 = m_0^2 c^2.</math>
 
Formulierung als „relativistischer Pythagoras“:
 
:<math>E^2 = (m_0 c^2)^2 + (c|\vec p|)^2.</math>
 
=== Kraft ===
'''Definition.''' Viererkraft:
 
:<math>K^\mu := \frac{\mathrm dp^\mu}{\mathrm d\tau} = \gamma\frac{\mathrm dp^\mu}{\mathrm dt}.</math>
 
Es gilt:
 
:<math>K^\mu = m_0a^\mu.</math>
 
Mit
 
:<math>\vec F:=\frac{\mathrm d\vec p}{\mathrm dt} = \gamma^3 m_0\frac{\vec v}{c^2}\langle\vec v,\vec a\rangle + \gamma m_0\vec a</math>
 
gilt:
 
:<math>(K^\mu) = \begin{pmatrix} K^0\\ \gamma \vec F \end{pmatrix}.</math>
 
=== Relativistische Masse ===
 
Relativistische Masse (veralteter Begriff und sollte grundsätzlich nicht verwendet werden):
:<math>M(v) = \gamma(v)\cdot m_0.</math>
::<math>\gamma(v)\colon</math> Lorentzfaktor in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit,
::<math>m_0\colon</math> Ruhemasse.
 
=== Energie ===
 
Einsteins Energieformel:
 
:<math>E = M(v)\cdot c^2 = \gamma(v)\cdot m_0\cdot c^2.</math>
 
::<math>E\colon</math> Gesamtenergie (Ruheenergie+kinetische Energie),
 
::<math>M(v)\colon</math> relativistische Masse in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit,
 
::<math>m_0\colon</math> Ruhemasse.
 
Ruheenergie:
 
:<math>E_0 := m_0c^2.</math>
 
Kinetische Energie:
 
:<math>E_\mathrm{kin} = E-E_0 = \gamma m_0c^2-m_0c^2 = (\gamma-1) m_0c^2.</math>
 
== Vierer-Formalismus ==
 
In der Literatur gibt es zwei unterschiedliche Konventionen bei der Signatur (- + + +) und (+ - - -). Beide Konventionen sind gleichwertig. Hier wird die zweite Variante dargestellt:
 
{| class="wikitable"
! colspan="3" | Vierervektor
|-
| colspan="3" |
 
:<math>x=\sum_{\mu=0}^3 x^{\mu}e_\mu = \sum_{\mu=0}^3 x_{\mu}e^{\mu}</math>
 
|-
|-
|''Menge'': ||Ja! Wir sind alle völlig verschieden!
|
 
<math>\eta_{\mu\nu} = \langle e_{\mu},e_{\nu}\rangle</math>
 
|
 
<math>\eta^{\mu\nu} = \langle e^{\mu},e^{\nu}\rangle</math>
 
|
 
<math>\langle e^{\mu},e_{\nu}\rangle = \delta_{\mu\nu}</math>
 
|-
|-
|''Dennis'': ||Ich nicht!  
|
 
<math>x_{\mu} = \sum_{\mu,\nu}\eta_{\mu\nu} x^{\nu}</math>
 
|
 
<math>x^{\mu} = \sum_{\mu,\nu}\eta^{\mu\nu} x_{\nu}</math>
 
|
|}
 
{| class="wikitable"
! Kontravariante Koordinaten
! Kovariante Koordinaten
|-
|-
|''Menge'': ||Pscht!!
|
 
:<math>(x^\mu):=\begin{pmatrix}ct\\ x\\ y\\ z\end{pmatrix}</math>
|
 
:<math>(x_\mu):=(ct, -x, -y, -z)</math>
 
|}
|}


== Siehe auch ==
Darstellungsmatrix des (pseudo)-metrischen (Minkowski)-Tensors:
* {{WikipediaDE|Kategorie:Paradoxon}}
 
* {{WikipediaDE|Paradoxon}}
:<math>\eta = (\eta_{\mu\nu}) =\begin{pmatrix} 1 &  0 &  0 &  0\\ 0 & -1 &  0 &  0\\ 0 &  0 & -1 &  0\\ 0 &  0 &  0 & -1 \end{pmatrix}.</math>
* {{WikipediaDE|Antinomie}}
 
* {{WikipediaDE|Dialektik}}
Es gilt <math>\eta^{-1}=\eta</math> bzw. <math>\eta^{\mu\nu}=\eta_{\mu\nu}</math>.
* {{WikipediaDE|Dilemma}}
 
* {{WikipediaDE|Trilemma}}
Minkowski-Skalarprodukt:
* {{WikipediaDE|Tautologie (Logik)}}
 
* {{WikipediaDE|Paradox (Datenbank)}}
:<math>\begin{align} &\langle x,y\rangle := \eta(x,y) = x^T\eta\,y = \sum_{\mu,\nu}\eta_{\mu\nu} x^\mu y^\nu\\ &= \sum_{\mu} \eta_{\mu\mu}x^{\mu}y^{\mu} = x^0 y^0 - x^1 y^1 - x^2 y^2 - x^3 y^3\\ &= \sum_{\mu} x^{\mu}y_{\mu} = x^0 y_0 + x^1 y_1 + x^2 y_2 + x^3 y_3\\ &= \sum_{\mu} x_{\mu}y^{\mu} = x_0 y^0 + x_1 y^1 + x_2 y^2 + x_3 y^3. \end{align}</math>
* {{WikipediaDE|Liste von Paradoxa}}


== Literatur ==
In der Einsteinkonvention wird das Summenzeichen nicht geschrieben und immer über gleiche Indexvariablen summiert.
* Michael Clark: ''Paradoxes from A to Z.'' 2. Auflage. Routledge, London u.&nbsp;a. 2007, ISBN 978-0-415-42082-2.
 
* Karsten Engel (Hrsg.): ''Von Schildkröten und Lügnern -- Paradoxien und Antinomien in den Wissenschaften''. mentis, Münster 2018, ISBN 978-3-95743-088-5
Das Minkowski-Skalarprodukt ist nicht positiv definit und daher kein echtes Skalarprodukt.
* Jean-Claude Fredouille, Francesco Zanella: ''Paradoxon.'' In: ''Reallexikon für Antike und Christentum''. Band 26, Hiersemann, Stuttgart 2015, ISBN 978-3-7772-1509-9, Sp. 968–986
 
* Paul Geyer, Roland Hagenbüchle (Hrsg.): ''Das Paradox. Eine Herausforderung des abendländischen Denkens'' (= ''Stauffenburg-Colloquium.'' Bd. 21). Stauffenburg-Verlag, Tübingen 1992, ISBN 3-923721-78-1, bes.: Heinrich Plett: ''Das Paradoxon als rhetorische Kategorie.'' S. 89–104 (2. Auflage. Königshausen & Neumann, Würzburg 2002, ISBN 3-8260-2345-5).
Quadratische Form:
* Gábor Paál: ''Was ist schön? Ästhetik und Erkenntnis.'' Königshausen & Neumann, Würzburg 2003, ISBN 3-8260-2425-7.
 
* Richard M. Sainsbury: ''Paradoxien'' (= ''Universal-Bibliothek'' 18135). Reclam, Stuttgart 2001, ISBN 3-15-018135-6.
:<math>q(x) := \langle x,x\rangle = (ct)^2-x^2-y^2-z^2.</math>
* Raymond M. Smullyan: ''Das Buch ohne Titel. Eine Sammlung von Paradoxa und Lebensrätseln.'' Vieweg, Braunschweig u.&nbsp;a. 1983, ISBN 3-528-08485-5.
 
Ein Viererort <math>x</math> (auch Ereignis genannt) heißt
 
* zeitartig, wenn <math>q(x)>0</math>
 
* raumartig, wenn <math>q(x)<0</math>
 
* lichtartig, wenn <math>q(x)=0</math>
 
Minkowski-Norm:
 
:<math>\|x\| := \sqrt{|q(x)|} = \sqrt{|(ct)^2-x^2-y^2-z^2|}</math>
 
Die Minkowski-Norm ist keine echte Norm im Sinne eines normierten Raumes.
 
Minkowski-Metrik:
 
:<math>d(x_1,x_2) := \|x_1-x_2\| = \sqrt{|q(x_1-x_2)|}</math>
 
mit <math>q(x_1-x_2)=(ct_1-ct_2)^2-(x_1-x_2)^2-(y_1-y_2)^2-(z_1-z_2)^2</math>.
 
Die Minkowski-Metrik ist keine echte Metrik im Sinne eines metrischen Raumes.
 
Linienelement:
:<math>c^2\mathrm d\tau^2 = \mathrm ds^2 = c^2\mathrm dt^2-\mathrm dx^2-\mathrm dy^2-\mathrm dz^2</math>
Man kann die beiden Signaturen auch gezielt zur unterschiedlichen Darstellung raumartiger und zeitartiger Abstände verwenden:
 
:<math>\mathrm ds^2 = -c^2\mathrm dt^2 +\mathrm dx^2 +\mathrm dy^2 +\mathrm dz^2</math>
:<math>\mathrm d\tau^2 = \mathrm dt^2-\mathrm dx^2/c^2-\mathrm dy^2/c^2-\mathrm dz^2/c^2</math>
 
== Isometriegruppen ==
'''Definition.''' Eine Raumzeit-Isometrie ist eine Funktion <math>f</math>, die einem
Ereignis <math>x=(ct,x,y,z)^T</math> der Raumzeit ein anderes Ereignis <math>f(x)=(ct',x',y',z')^T</math>
zuordnet, so dass gilt:
:<math>\forall x,y\in\R^4\colon\, q(f(x)-f(y)) = q(x-y),</math>
wobei <math>q(x):=(ct)^2-x^2-y^2-z^2</math> die quadratische Form ist.
 
=== Gruppe der Translationen ===
Gruppe der Translationen:
:<math>T:=\{T\mid T(x)=x+a,\, T\colon\mathbb R^4\to\mathbb R^4,\, a\in\mathbb R^4\}.</math>
 
=== Gruppe der Rotationen ===
Rotationsmatrizen:
 
:<math>R = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & r_{11} & r_{12} & r_{13}\\ 0 & r_{21} & r_{22} & r_{23}\\ 0 & r_{31} & r_{32} & r_{33} \end{pmatrix},\quad (r_{ij})\in\mathrm{SO}(3).</math>
 
Die Gruppe aller Rotationsmatrizen <math>R</math> ist trivial isomorph zur <math>\mathrm{SO}(3)</math> und wird zur Unterscheidung als <math>\mathrm{SO}(3)(4\times 4)</math> notiert.
 
Die <math>\mathrm{SO}(3)(4\times 4)</math> ist eine Untergruppe der Lorentz-Gruppe.
 
=== Lorentz-Gruppe ===
 
Lorentz-Gruppe:
:<math>O(1,3) := \{\Lambda\in\mathbb R^{4\times 4}\mid \forall x,y\in\mathbb R^4\colon \langle\Lambda x,\Lambda y\rangle = \langle x,y\rangle\}.</math>
Die Lorentz-Gruppe ist die Gruppe aller Lorentz-Transformationen.
 
Die Lorentz-Transformationen sind Isometrien:
:<math>\forall \Lambda\in O(1,3)\colon\;q(\Lambda x-\Lambda y)=q(x-y)</math>.
 
Aus der Definition folgt <math>q(x')=q(x)</math> mit <math>x':=\Lambda x</math>. Ausgeschrieben:
:<math>c^2 \cdot t'^2 - x'^2 - y'^2 - z'^2 =  c^2 \cdot t^2 - x^2 - y^2 - z^2</math>
bzw.
:<math>x'^2 + y'^2 + z'^2 - c^2 \cdot t'^2 = x^2 + y^2 + z^2 - c^2 \cdot t^2</math>
bzw. (unter Verwendung der imaginären Einheit)
:<math>x'^2 + y'^2 + z'^2 + \mathrm i^2 \cdot c^2 \cdot t'^2 = x^2 + y^2 + z^2 + \mathrm i^2 \cdot c^2 \cdot t^2.</math>
 
=== Poincaré-Gruppe ===
Affine Abbildungen:
 
:<math> T(x)=\Lambda x+a,\; T\colon \mathbb R^4\to\mathbb R^4,\;a\in\mathbb R^4,\; \Lambda\in\mathbb R^{4\times 4}.</math>
 
Poincaré-Gruppe:
 
:<math>E(1,3):=\{T\mid T\;\text{ist affin und}\; \forall x,y\in\mathbb R^4\colon\; q(T(x)-T(y))=q(x-y)\}.</math>
 
Die Lorentz-Gruppe ist eine Untergruppe der Poincaré-Gruppe, genauer: der Stabilisator bei <math>x=0</math>.
Das sind alle Poincaré-Transformationen mit <math>a=0</math>. Die Gruppe der Translationen ist eine Untergruppe der Poincaré-Gruppe und besteht aus allen Poincaré-Transformationen mit <math>\Lambda=0</math>.
 
= ART (Allgemeine Relativitätstheorie) =
 
Die folgenden Formeln gelten gegenüber dem Beobachter im Unendlichen, ohne eigene gravitative Raumkrümmung. Während die relativistischen Wirkungen bei der SRT relativ sind, also für jeden Beobachter aus seiner Sicht zu berechnen sind, sind sich die Beobachter über die relativen Wirkungen der ART einig.
 
Dem Lorentzfaktor der SRT vergleichbar erscheint in der ART der Faktor:
 
:<math>\gamma_G = \frac {1} {\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r \cdot c^2} }} = \frac {1} {\sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r} } }  = \frac {1} {\sqrt {1 + \dfrac {2 \cdot \Phi} {c^2} } }  = \frac {1} {\sqrt {1 - \dfrac {v_f^2} {c^2} } }  = \frac {1} {\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot v_o^2} {c^2} } }  = \frac {1} {\sqrt {1 + \dfrac {2 \cdot g \cdot r} {c^2} } } </math>
:*<math>M = \text{Zentralmasse} </math> mit SI-Einheit '''kg'''
:*<math> c = \text {Lichtgeschwindigkeit im flachen Vakuum}</math> mit SI-Einheit <math>2,99792458 \cdot 10^{8}</math> '''m/s'''
:*<math>G = \text{Gravitationskonstante} </math> mit SI-Einheit <math>6,67408 \cdot 10^{-11}</math> '''m³/s²kg'''
:*<math>r = \text{Abstand vom Gravizentrum} </math> mit SI-Einheit '''m'''
:*<math>r_S = 2 \cdot G \cdot M/c^2 = \text{Schwarzschildradius} </math> mit SI-Einheit '''m'''
:*<math>\Phi = -G \cdot M/r = \text{Gravitationspotential} \, < 0 </math> mit SI-Einheit '''m²/s²'''
:*<math>g = -G \cdot M/r^2 = \text{Gravitationsbeschleunigung} \, < 0 </math> mit SI-Einheit '''m/s²'''
:*<math>v_f = c\sqrt{r_S/r} = \text{Fluchtgeschwindigkeit (klassisch)} </math> mit SI-Einheit '''m/s'''
:*<math>v_o = c\sqrt{r_S/2r} = \text{Orbitalgeschwindigkeit (klassisch)} </math> mit SI-Einheit '''m/s'''
 
== Gravitations-Zeitdilatation (Näherung) ==
 
Für die Gravitations-Zeitdilatation ergibt sich folgende Näherung:
 
:<math> \Delta \tau_o =  {\Delta t_\infty} \cdot {\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r \cdot c^2} }} = {\Delta t_\infty} \cdot {\sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r} }}</math>
 
:<math> \Delta t_\infty = \frac {\Delta \tau_0} {\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r_1 \cdot c^2} }} = \frac {\Delta \tau_0} {\sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r_2} }}</math>
:*<math> t_\infty = \text{Koordinatenzeit} </math>
:*<math> \tau_o = \text{Ortszeit beim Radius} \, r</math>
 
== Gravitations-Längenkontraktion (Näherung)==
 
Die Längenkontraktion wirkt sich ausschließlich in radialer Richtung zum Gravitationsfeld aus.
Für die Gravitations-Längenkontaktion ergibt sich folgende Näherung:
 
:<math> L_0 =  {L_\infty} \cdot {\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r \cdot c^2} }} = {L_\infty} \cdot {\sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r} }}</math>
 
:<math> L_\infty = \frac {L_0} {\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r \cdot c^2} }} = \frac {L_0} {\sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r} }}</math>
 
:*<math> t_\infty = \text{Koordinatenzeit} </math>
:*<math> \tau_o = \text{Ortszeit beim Radius} \, r</math>
 
== Gravitations-Blauverschiebung (Näherung)==
 
Für die Gravitations-Blauverschiebung (einfallende Wellen) ergibt sich folgende Näherung für die Verkleinerung der Wellenlänge:
 
:<math> \lambda' = \lambda_\infty \cdot \sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r \cdot c^2} } = \lambda_\infty \cdot \sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r} }</math>
 
und Frequenz:
 
:<math> f' = f_\infty \cdot \frac {1} {\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r \cdot c^2} } } = f_\infty \cdot \frac {1} {\sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r} } }</math>
 
== Gravitations-Rotverschiebung (Näherung)==
 
Für die Gravitations-Rotverschiebung (abgestrahlte Wellen) ergibt sich folgende Näherung für die Vergrößerung der Wellenlänge:
 
:<math>\lambda_\infty = \lambda_0 \cdot \dfrac {1}{\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r_1 \cdot c^2} } } = \lambda_0 \cdot \dfrac {1}{\sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r_2} } }</math>
 
und für die Frequenz:
 
:<math>f_\infty = f_0 \cdot {\sqrt {1 - \dfrac {2 \cdot G \cdot M} {r_1 \cdot c^2} } } = f_0 \cdot {\sqrt {1 - \dfrac {r_S} {r_2} } }</math>
 
== Gravitationslinsen und Lichtablenkung im Schwerefeld ==
 
Der Ablenkwinkel (Einsteinwinkel) des Lichtes im Schwerefeld berechnet sich:
 
:<math> \alpha \approx \frac {4 \cdot G \cdot M}{r \cdot c^2} = 2 \cdot \frac {r_S}{r} </math>
 
== Schwarzschildradius ==
 
Für den Schwarzschildradius (Ereignishorizont von nicht rotierenden ungeladenen Schwarzen Löchern nach Schwarzschild) ergibt sich:
 
:<math> r_S = \frac { 2 \cdot G \cdot M}{c^2} </math>
 
== Gravitationsradius ==
 
Für den Gravitationsradius (Ereignishorizont von maximal rotierenden ungeladenen Schwarzen Löchern nach Kerr) ergibt sich:
 
:<math> r_G = \frac {r_S}{2} = \frac {G \cdot M}{c^2} </math>
 
== Gravitationsgesetz der Allgemeinen Relativitätstheorie ==
 
Das Gravitationsgesetz der Allgemeinen Relativitätstheorie lautet:
 
:<math> G_{\mu \nu} = \kappa \cdot T_{\mu \nu} = R_{\mu \nu} - g_{\mu \nu} \cdot \frac {R}{2} </math>
 
mit:
 
:*<math> G_{\mu \nu} = \text {Einsteinscher Tensor} </math> mit SI-Einheit '''1/m²'''
:*<math> T_{\mu \nu} = \text {Energie-Impuls-Tensor} </math> mit SI-Einheit '''J/m³'''
:*<math> R_{\mu \nu} = \text {Ricci-Tensor} </math> mit SI-Einheit '''1/m²'''
:*<math> g_{\mu \nu} = \text {(allgemeiner) metrischer Tensor} </math> mit SI-Einheit '''1'''
:*<math> R = g^{\mu \nu} R_{\mu \nu} = \text {Ricci-Skalar} </math> mit SI-Einheit '''1/m²'''
:*<math> \mu , \nu = \text {Indizes (0, 1, 2, 3)}</math>
:*<math>\kappa := \frac{8 \pi G}{c^4} = \text {Einsteinkonstante} </math> mit SI-Einheit <math>2,07650 \cdot 10^{-43}</math> '''1/N'''
:*<math> G = \text {Gravitationskonstante} </math> mit SI-Einheit <math>6,67408 \cdot 10^{-11}</math> '''m³/s²kg'''
:*<math> c = \text {Lichtgeschwindigkeit im flachen Vakuum}</math> mit SI-Einheit <math>2,99792458 \cdot 10^{8}</math> '''m/s'''
:*<math> \pi = \text {Kreiszahl}</math>
 
= Anhang =


== Weblinks ==
== Weblinks ==
{{Wiktionary|Paradoxon}}
{{Commonscat|Paradoxes}}
* {{IEP|http://www.iep.utm.edu/p/par-log.htm|Logical Paradoxes|Barry Hartley Slater}}
* {{SEP|http://plato.stanford.edu/entries/paradoxes-contemporary-logic/|Paradoxes and Contemporary Logic|Andrea Cantini}}
* Timm Grams: [http://www.fh-fulda.de/~grams/dnkfln.htm Denkfallen und Paradoxien]
== Einzelnachweise ==
<references />


{{Normdaten|TYP=s|GND=4044593-8}}
* [http://www.formel-sammlung.de/formel-Grundlagen-3-34-196.html Formelsammlung Relativitätstheorie auf Formel-Sammlung.de]


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== Quelle ==
* Diese Formelsammlung ist entnommen dem Wikibook [https://de.wikibooks.org/wiki/Formelsammlung_Physik:_Relativit%C3%A4tstheorie Formelsammlung Relativitätstheorie] und unterliegt eine strengen Lizenz. Die Liste der Autoren ist in der [https://de.wikibooks.org/w/index.php?title=Formelsammlung_Physik:_Relativit%C3%A4tstheorie&action=history Versionsgeschichte] einsehbar.


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Version vom 27. Dezember 2020, 18:12 Uhr

SRT (Spezielle Relativitätstheorie)

Gebräuchliche Abkürzungen

Geschwindigkeit v relativ zur Lichtgeschwindigkeit c:

Lorentzfaktor:

mit .

Addition von Lorentzfaktoren:

Rapidität:

Beachte auch:

Galilei-Transformation

Die Galileitransformation unterstellt eine unbegrenzte Lichtgeschwindigkeit und ist daher nur für Relativgeschwindigkeiten |v| < 0,1 c eine gute Näherung. Da v' = -v:

Galilei-Tranformation in -Richtung Inverse Galilei-Transformation

Lorentz-Transformation

Lorentz-Transformation in -Richtung Inverse Lorentz-Transformation

Zeitdilatation

Für die Zeitdilatation eines bewegten Körpers ergibt sich die Eigenzeit als Ablesung zwischen zwei Ortszeiten im gemessenen Zeitabstand :

Längenkontraktion

Die Längenkontraktion wirkt sich ausschließlich in Richtung der radialen Relativbewegung zum Beobachter aus. Für die Längenkontraktion (Eigenlänge) eines bewegten Körpers ergibt sich:

Rot-/Blauverschiebung

Die Frequenzänderung setzt sich aus Zeitdilatation und Dopplerfaktor zusammen. Der Effekt des Dopplerfaktors überwiegt dabei.

mit f beobachtete Frequenz und f' Originalfrequenz

Die Zeitdilatation bewirkt immer eine leichte Rotverschiebung und ist von der Richtung der Bewegung unabhängig.

Der Dopplereffekt ist allein von der radialen Relativbewegung abhängig und richtungsabhängig (vorzeichenbehaftet):

Bei Annäherung zum Beobachter (v < 0) ergibt der Dopplereffekt eine Blauverschiebung:

insgeamt also

Bei Entfernung vom Beobachter (v > 0) ergibt der Dopplereffekt eine Rotverschiebung:

insgeamt also

Der z-Faktor ergibt sich aus

Kinematik

Geschwindigkeit

Definition. Vierergeschwindigkeit:

Es gilt:

Die Minkowski-Norm der Vierergeschwindigkeit ist konstant:

Beschleunigung

Definition. Viererbeschleunigung:

Ableitung des Lorentzfaktors:

Es gilt:

Klassische Addition der Geschwindigkeiten

Für die klassische Addition zweier Relativgeschwindigkeiten ergibt sich:

Relativistische Addition der Geschwindigkeiten

Für die relativistische Addition zweier Relativgeschwindigkeiten ergibt sich:

Dynamik

Impuls

Für den relativistischen Impuls ergibt sich:

Definition. Viererimpuls:

Es gilt:

und:

Energie-Impuls-Beziehung:

Formulierung als „relativistischer Pythagoras“:

Kraft

Definition. Viererkraft:

Es gilt:

Mit

gilt:

Relativistische Masse

Relativistische Masse (veralteter Begriff und sollte grundsätzlich nicht verwendet werden):

Lorentzfaktor in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit,
Ruhemasse.

Energie

Einsteins Energieformel:

Gesamtenergie (Ruheenergie+kinetische Energie),
relativistische Masse in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit,
Ruhemasse.

Ruheenergie:

Kinetische Energie:

Vierer-Formalismus

In der Literatur gibt es zwei unterschiedliche Konventionen bei der Signatur (- + + +) und (+ - - -). Beide Konventionen sind gleichwertig. Hier wird die zweite Variante dargestellt:

Vierervektor

Kontravariante Koordinaten Kovariante Koordinaten

Darstellungsmatrix des (pseudo)-metrischen (Minkowski)-Tensors:

Es gilt bzw. .

Minkowski-Skalarprodukt:

In der Einsteinkonvention wird das Summenzeichen nicht geschrieben und immer über gleiche Indexvariablen summiert.

Das Minkowski-Skalarprodukt ist nicht positiv definit und daher kein echtes Skalarprodukt.

Quadratische Form:

Ein Viererort (auch Ereignis genannt) heißt

  • zeitartig, wenn
  • raumartig, wenn
  • lichtartig, wenn

Minkowski-Norm:

Die Minkowski-Norm ist keine echte Norm im Sinne eines normierten Raumes.

Minkowski-Metrik:

mit .

Die Minkowski-Metrik ist keine echte Metrik im Sinne eines metrischen Raumes.

Linienelement:

Man kann die beiden Signaturen auch gezielt zur unterschiedlichen Darstellung raumartiger und zeitartiger Abstände verwenden:

Isometriegruppen

Definition. Eine Raumzeit-Isometrie ist eine Funktion , die einem Ereignis der Raumzeit ein anderes Ereignis zuordnet, so dass gilt:

wobei die quadratische Form ist.

Gruppe der Translationen

Gruppe der Translationen:

Gruppe der Rotationen

Rotationsmatrizen:

Die Gruppe aller Rotationsmatrizen ist trivial isomorph zur und wird zur Unterscheidung als notiert.

Die ist eine Untergruppe der Lorentz-Gruppe.

Lorentz-Gruppe

Lorentz-Gruppe:

Die Lorentz-Gruppe ist die Gruppe aller Lorentz-Transformationen.

Die Lorentz-Transformationen sind Isometrien:

.

Aus der Definition folgt mit . Ausgeschrieben:

bzw.

bzw. (unter Verwendung der imaginären Einheit)

Poincaré-Gruppe

Affine Abbildungen:

Poincaré-Gruppe:

Die Lorentz-Gruppe ist eine Untergruppe der Poincaré-Gruppe, genauer: der Stabilisator bei . Das sind alle Poincaré-Transformationen mit . Die Gruppe der Translationen ist eine Untergruppe der Poincaré-Gruppe und besteht aus allen Poincaré-Transformationen mit .

ART (Allgemeine Relativitätstheorie)

Die folgenden Formeln gelten gegenüber dem Beobachter im Unendlichen, ohne eigene gravitative Raumkrümmung. Während die relativistischen Wirkungen bei der SRT relativ sind, also für jeden Beobachter aus seiner Sicht zu berechnen sind, sind sich die Beobachter über die relativen Wirkungen der ART einig.

Dem Lorentzfaktor der SRT vergleichbar erscheint in der ART der Faktor:

  • mit SI-Einheit kg
  • mit SI-Einheit m/s
  • mit SI-Einheit m³/s²kg
  • mit SI-Einheit m
  • mit SI-Einheit m
  • mit SI-Einheit m²/s²
  • mit SI-Einheit m/s²
  • mit SI-Einheit m/s
  • mit SI-Einheit m/s

Gravitations-Zeitdilatation (Näherung)

Für die Gravitations-Zeitdilatation ergibt sich folgende Näherung:

Gravitations-Längenkontraktion (Näherung)

Die Längenkontraktion wirkt sich ausschließlich in radialer Richtung zum Gravitationsfeld aus. Für die Gravitations-Längenkontaktion ergibt sich folgende Näherung:

Gravitations-Blauverschiebung (Näherung)

Für die Gravitations-Blauverschiebung (einfallende Wellen) ergibt sich folgende Näherung für die Verkleinerung der Wellenlänge:

und Frequenz:

Gravitations-Rotverschiebung (Näherung)

Für die Gravitations-Rotverschiebung (abgestrahlte Wellen) ergibt sich folgende Näherung für die Vergrößerung der Wellenlänge:

und für die Frequenz:

Gravitationslinsen und Lichtablenkung im Schwerefeld

Der Ablenkwinkel (Einsteinwinkel) des Lichtes im Schwerefeld berechnet sich:

Schwarzschildradius

Für den Schwarzschildradius (Ereignishorizont von nicht rotierenden ungeladenen Schwarzen Löchern nach Schwarzschild) ergibt sich:

Gravitationsradius

Für den Gravitationsradius (Ereignishorizont von maximal rotierenden ungeladenen Schwarzen Löchern nach Kerr) ergibt sich:

Gravitationsgesetz der Allgemeinen Relativitätstheorie

Das Gravitationsgesetz der Allgemeinen Relativitätstheorie lautet:

mit:

  • mit SI-Einheit 1/m²
  • mit SI-Einheit J/m³
  • mit SI-Einheit 1/m²
  • mit SI-Einheit 1
  • mit SI-Einheit 1/m²
  • mit SI-Einheit 1/N
  • mit SI-Einheit m³/s²kg
  • mit SI-Einheit m/s

Anhang

Weblinks

Quelle