Die spezielle Relativitätstheorie ist eine Verallgemeinerung des gallileischen Relativitätsprinzips der klassischen Mechanik auf alle Bereiche der Physik Die spezielle Relativitätstheorie besagt, das in allen relativ zueinander gleichförmig bewegten Inertialsystemen die gleichen physikalischen Gesetze gelten. Zunächst wurde sie verwendet, um die Elektrodynamik zu erklären. Das Prinzip lässt sich aber in allen Bereichen anwenden.
Die spezielle Relativitätstheorie ist ein Spezialfall der allgemeinen Relativitätstheorie.
Die Gesetze der klassischen Mechanik gelten in jedem Inertialsystem (einem nicht beschleunigen System). Deshalb merkt man z.B. nicht, dass sich die Erde mit extrem hoher Geschwindigkeit um die Sonne bewegt. Das bedeutet, dass die Gesetze nicht vom Bezugssystem abhängig sind. Man kann sie also von einem ins andere System umwandeln, was auch als Galilei-Transformation bezeichnet wird. Die Gesetze sind galilei-invariant.
Die so genannten Maxwell-Gleichungen begründen viele elektrische, magnetische und optische Phänomene, sind aber nicht galilei-invariant. Sie hängen also nach der klassischen Physik im ungekrümmten Raum von ihrem Bezugssystem ab. In vielen Experimenten hat man versucht die Geschwindigkeit dieses Systems zu bestimmen, ist aber erfolglos geblieben. Man hatte geglaubt, dass man über eine Lichtgeschwindigkeitsmessung diesen Wert erhalten könnte.
Die Lösung des Problems liegt darin eine andere "Umwandlungsform" zu verwenden, die Lorentz-Transformationen. Bei Ihnen wird nicht nur eine Veränderung des Raumes, sondern auch eine Veränderung der Zeit betrachtet.
Daraus ergeben sich viele nachweisbare Effekte.
Zum Beispiel muss die Gleichzeitigkeit neu definiert werden. Die Lichtgeschwindigkeit c ist konstant. Sind zwei Ereignisse unterschiedlich weit vom Beobachter entfernt, dann wird ein Lichtstrahl vom näheren Ereignis schneller den Beobachter erreichen, als ein Lichtstrahl vom weiter entfernteren. Die Ereignisse passieren gleichzeitig, werden aber nicht als gleichzeitig wahrgenommen. Daher ist die Gleichzeitigkeit relativ zum Beobachter.
Aus der Definition der Gleichzeitigeit ergibt sich aber ein paradoxer Effekt, die Lorentz-Kontraktion. Angenommen, der Anfang des Zuges löst beim Passieren des vorderen Bahnsteigendes einen Lichtblitz aus und das Ende des Zuges löst einen Lichtblitz am hinteren Bahnsteigende aus. Der Beobachter in der Mitte des Bahnsteigs sieht bei der Durchfahrt des Zuges beide Lichtblitze gleichzeitig. Er stellt also fest, dass im selben Moment, zu dem der Anfang des Zuges das vordere Ende des Bahnsteigs passiert, auch das hintere Ende des Zuges das hintere Ende des Bahnsteigs passiert. Er schließt, dass Zug und Bahnsteig bei der momentanen Geschwindigkeit gleich lang sind. Den Beobachter in der Mitte des Zuges erreicht der Lichtblitz vom Anfang des Zuges früher als der Lichtblitz vom Ende des Zuges. Da das „hintere“ Ereignis (das Zugende passiert das hintere Bahnsteigende) für ihn später passiert als das „vordere“ (der Zuganfang passiert das vordere Bahnsteigende), schließt er, dass der Zug länger ist als der Bahnsteig, denn schließlich war das Zugende noch gar nicht am Bahnsteig angekommen, als der Zuganfang ihn schon wieder verlassen hat. Dieser Effekt tritt nur in Bewegungsrichtung auf, über die Höhe eines Strommastes wären sich beide Beobachter einig.
Ein weiterer Effekt ist die so genannte Zeitdilatation. Am Anfang und Ende eines Bahnsteiges stehen zwei gleich gestellte Uhren und ein Beobachter im Zug habe ebenfalls eine Uhr auf die gleiche Zeit wie die Uhr am Anfang des Bahnsteigs gestellt sei, wenn er sie passiert, und der Beobachter auf dem Bahnsteig habe ebenfalls eine Uhr, die auch auf die Zeit der Uhr am Bahnsteiganfang gestellt ist.Wenn der Beobachter im Zug an der Uhr am Bahnsteigende durchgefahren ist, erscheint dem Beobachter auf dem Bahnsteig, dass die beiden Uhren auf dem Bahnsteig gleich, ebenso wie seine Uhr, gestellt sind. Der Beobachter im Zug, hat ja wegen der Lorentz-Kontraktion einen längeren Weg zurückgelegt, daher läuft seine Uhr jetzt im Vergleich zu der Uhr am Bahnsteigende nach.
Das Gleiche geschieht für z.B. die Myonen. Sie bewegen sich mit fast Lichtgeschwindigkeit. Daher ist für sie ihre Bewegung lorentz-verkürzt und damit die die Zeit ebenfalls. Daher können sie nicht nur eine Strecke von 300 m, sondern von mehreren Kilometern zurücklegen.