Relativistisches Teilchen

Albert Einstein hat mit seiner speziellen Relativitätstheorie die Widersprüche zwischen Mechanik und Elektrodynamik beseitigt, indem er Raum und Zeit zur Raumzeit zusammenfügte. In dieser Raumzeit muss die Zeit in Meter oder die Länge in Sekunden gemessen werden. Zudem gilt eine etwas andere Metrik. Aus der Metrik folgt dann die Lorentz-Transformation. Diese Betrachtungsweise, die in etwa den Gedankengänge von Einstein entspricht, ist wohl korrekt und logisch geschlossen, sollte aber aus didaktischen Gründen in einem einführenden Kurs so nicht dargelegt werden. Die nachfolgende Betrachtungsweise geht nur von einem Bezugssystem aus und verwendet als zusätzliche Information einzig die berühmte Formel von Einstein, wonach Energie und Masse äquivalent (gleichwertig) sind

[math]W=mc^2[/math]

Aufgabenstellung

Ein Neutron (Masse 1.675 10^-27 kg soll mit einer konstanten Kraft von 2 10^-22 N während 5000 Sekunden beschleunigt werden. Gemässe der Newtonschen Mechanik wird das Neutron mit 1.19 10⁵ m/s² beschleunigt und erreicht nach 5000 s etwa die doppelte Lichtgeschwindigkeit. Heute weiss fast jedes Kind, dass kein Objekt schneller als das Licht fliegen kann, aber kaum ein Gymnasiast kann sagen warum. Ein systemdynamisches Modell soll zeigen, wieso kein Körper die "Lichtmauer" durchbrechen kann.

Modell

Dem Neutron wird ein konstanter Impulsstrom der Stärke 2 10^-22 N zugeführt. Infolge der zunehmenden Geschwindigkeit ist der Impulsstrom immer stärker mit Energie beladen, d.h. der zugeordnete Energiestrom nimmt kontinuierlich zu. Gemäss Einstein sind Energie und Masse gleich zu setzen, also steigt die Masse des Neutrons an, womit das Verhältnis von Impuls und Geschwindigkeit fortlaufend vergrössert wird. Die Geschwindigkeit des Neutrons kann die des Lichtes nicht überschreiten, weil der zufliessende Impulsstrom mit zunehmender Geschwindigkeit die Impulskapazität, die Masse vergrössert.

Das systemdynamische Modell besteht aus zwei einfachen Bilanzen, der Impuls- und der Massebilanz. Die beiden Bilanzgleichungen sind über zwei Beziehungen miteinander verbunden

1. der Massestrom ist gemäss Einstein gleich dem zugeordneten Energiestrom dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit im Quadrat
2. die Geschwindigkeit ist gleich dem Quotienten aus Impuls und Masse

Simulation

Eine gleichmässige Impulszufuhr, also eine konstante Kraft zu simulieren, ist nicht sehr spektakulär. Als Ergebnis erhalten wir eine abflachende Geschwindigkeits-Zeit-Kurve. Im Flüssigkeitsbild kann dieses Phänomen einfach erklärt werden. Weil die Zunahme der Masse über die Geschwindigkeit mit der Zufuhr von Impuls gekoppelt ist, wird der Querschnitt des den Körper darstellenden Gefässes immer grösser. Folglich vermag der zufliessende Impuls die Geschwindigkeit (Füllhöhe) immer weniger zu erhöhen, weil mit zunehmender Geschwindigkeit mehr Impuls zum Auffüllen des breiter werdenden Gefässes gebraucht wird.

Statt eines konstanten Impulsstromes könnte man auch eine Oszillierende Kraft nehmen

[math]F=F_0\sin(\omega t)[/math]

Die Simulation ergibt bei einer Amplitude von 2 10^-22 N und einer Periode von 5000 Sekunden das nebenstehend abgebildete Geschwindigkeits-Zeit-Verhalten.

Mathematik

BerkeleyMadonna, das hier verwendete SD-Tool stellt die Gleichungen in einem eigenen Fenster zusammen. Mit ein paar einfachen algebraischen Umformungen kann daraus die relativistische Impuls-Masse-Beziehung abgeleitet werden.