Quelltext der Seite Tests der speziellen Relativitätstheorie

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[[Datei:Michelson-Morley.svg|mini|312px|Aufbau des [[Michelson-Interferometer]]s]]
'''Tests der speziellen Relativitätstheorie''' werden bis heute durchgeführt. Sie waren für die Entwicklung und Akzeptanz der Theorie von entscheidender Bedeutung; moderne Experimente ergeben weiterhin Übereinstimmung mit der Theorie. Entgegen populären Darstellungen ist die [[spezielle Relativitätstheorie]] nicht bloß das Ergebnis von [[Gedankenexperiment]]en und wurde nicht nur zur Erklärung eines einzelnen Versuchsergebnisses, des berühmten [[Michelson-Morley-Experiment]]s, entwickelt. Die Stärke der Theorie liegt vielmehr darin, dass sie die einzige ist, die mehrere grundverschiedene Experimente widerspruchsfrei erklären kann. Neben den klassischen Experimenten gibt es heute Tests der Theorie auch z.&nbsp;B. im experimentell schwer zugänglichen Bereich der [[Planck-Skala]] oder in der [[Neutrino]]-Physik. Bislang bestätigen auch deren Resultate die Vorhersagen der Theorie. Zusammenstellungen diverser Tests wurden von [[Jakob Laub (Physiker)|Jakob Laub]],<ref name="laub" /> Zhang,<ref name="zhang" /> Mattingly,<ref name="mattingly" /> [[Clifford Will]],<ref name="will" /> und Roberts/Schleif<ref name="faq" /> gegeben.

Der Gültigkeitsbereich der speziellen Relativitätstheorie ist eingeschränkt auf alle Phänomene in der „flachen [[Raumzeit]]“, d.&nbsp;h. alle gleichförmigen und beschleunigten Bewegungen bei Abwesenheit der Gravitation. Letzteres behandelt die [[allgemeine Relativitätstheorie]]; für die entsprechenden experimentellen Tests siehe [[Tests der allgemeinen Relativitätstheorie]].

== Experimente, die den Weg zur SRT ebneten ==
{{Siehe auch|Äther (Physik)#Ätherwind-Experimente|titel1=Ätherwind-Experimente}}
Die im 19. Jahrhundert vorherrschende Theorie war diejenige des ruhenden [[Äther (Physik)|Äthers]], eines Mediums, in dem sich [[Licht]] ausbreitet, wie sich etwa der [[Schall]] in [[Luft]] ausbreitet. Daraus folgt, dass sich Licht in diesem Äther konstant und unabhängig von der [[Geschwindigkeit]] der Lichtquelle ausbreitet. Ein Beobachter, der sich relativ zu diesem Äther bewegt, müsste folglich eine Art „Ätherwind“ messen können, genauso wie ein relativ zur Luft bewegter Beobachter einen [[Wahrer und scheinbarer Wind|Fahrtwind]] bemerken muss.

=== Experimente erster Ordnung ===
[[Datei:Fizeau-Mascart2.png|mini|Das [[Fizeau-Experiment]], 1851]]
Es wurden nun eine Reihe optischer Experimente durchgeführt, die trotz ihrer relativen Ungenauigkeit eigentlich ein positives Resultat hätten erbringen müssen, wenn der Äther vollständig in Ruhe wäre. Doch konnte dieses Problem von [[Augustin Jean Fresnel]] (1818) durch Einführung einer Hilfshypothese gelöst werden. Er führte den sogenannten fresnelschen Mitführungskoeffizienten ein, der besagt, dass ein Bruchteil des Äthers abhängig vom Brechungsindex der Materie mitgeführt wird. Die Notwendigkeit dieses Mitführungskoeffizienten in der Äthertheorie wurde direkt durch das [[Fizeau-Experiment]] (1851) nachgewiesen. Später konnte gezeigt werden, dass ''alle'' optischen Ätherdriftexperimente erster Ordnung aus diesem Grund ein negatives Resultat erbringen müssen. Daneben wurden auch elektrostatische Experimente durchgeführt. Deren negatives Ergebnis konnte mit der Theorie von Fresnel nicht erklärt werden, und so musste [[Hendrik Antoon Lorentz]] (1892, 1895) eine Reihe von Hilfsvariablen für bewegte Beobachter einführen. Dazu gehört eine Ortsvariable, gemäß der sich elektrostatische Felder in Bewegungsrichtung kontrahieren, und eine Zeitvariable, gemäß der die Zeitkoordinaten vom jeweiligen Ort abhängen, die sogenannte „Ortszeit“. Dadurch war sichergestellt, dass alle optischen und elektrostatischen Experimente erster Ordnung ein negatives Resultat erbringen mussten.<ref name="laub" />

=== Experimente zweiter Ordnung ===
[[Datei:Michelsonnachbau.jpg|mini|Originalgetreuer Nachbau des [[Michelson-Morley-Experiment|Michelson-Experiments]], 1881]]
Die Fresnel-Lorentzsche Theorie des ruhenden Äthers musste allerdings positive Resultate erbringen, wenn die Experimente genau genug waren, um Größen zweiter Ordnung in ''v/c'' messen zu können. Das erste Experiment dieser Art war das [[Michelson-Morley-Experiment]] (1881, 1887), mit dem mittels eines [[Interferometer]]s, mit Hilfe dessen zwei Strahlen senkrecht zueinander gespiegelt und wieder zusammengeführt wurden, die Veränderung der Strecke bzw. der relativen Lichtgeschwindigkeiten im Ätherwind gemessen werden sollte. Das Ergebnis war jedoch negativ. Der einzige Ausweg, um dieses Ergebnis mit einem ruhenden Äther verträglich zu machen, war die von [[George Francis FitzGerald]] (1889) und Lorentz (1892) aufgestellte [[Längenkontraktion|Kontraktionshypothese]]. Diese besagt, dass (wie vorher schon bekannt war) nicht nur elektrostatische Felder kontrahieren, sondern auch die Bindungskräfte in der Materie davon betroffen sind, und somit die Materie selbst dieser Kontraktion unterworfen ist. Dies wurde plausibel gemacht durch die Annahme, dass die Bindungskräfte selbst elektrischer Natur sind. Da jedoch kein zwingender theoretischer Grund für diese Annahme gebracht werden konnte, wurde die Längenkontraktion als [[Ad-hoc-Hypothese]] angesehen.

Neben dem optischen Michelson-Morley-Experiment wurde 1903 auch dessen elektrodynamisches Äquivalent durchgeführt – das [[Trouton-Noble-Experiment]]. Hier sollte gezeigt werden, dass ein im Äther bewegter Kondensator ein Drehmoment aufweist. Doch auch hier war das Ergebnis negativ. Auch die Längenkontraktion wurde durch die [[Experimente von Rayleigh und Brace]] (1902, 1904) einer direkten Prüfung unterworfen, denn es wurde angenommen, dass diese zur [[Doppelbrechung]] führt – abermals war das Ergebnis negativ. (Das später durchgeführte [[Trouton-Rankine-Experiment]] (1908), welches nachweisen sollte, ob die Längenkontraktion einen Einfluss auf den Widerstand einer Spule hat, verlief ebenfalls negativ.)

Um nun alle vor 1904 durchgeführten Experimente zu erklären, musste Lorentz seine Theorie abermals erweitern, und führte deswegen im Rahmen der [[Lorentzsche Äthertheorie|Lorentzschen Äthertheorie]] die vollständige [[Lorentz-Transformation]] ein, und [[Henri Poincaré]] erklärte (1905), dass die Nichtexistenz einer absoluten Bewegung ([[Relativitätsprinzip]]) offenbar ein Naturgesetz ist.

=== Widerlegungen des bewegten Äthers ===
[[Datei:Lodge's ether machine DE.svg|mini|Lodges Experiment zur Äthermitführung mit rotierenden Scheiben.]]
{{Siehe auch|Äther (Physik)#Vollständige Äthermitführung|titel1=Vollständige Äthermitführung|Äther (Physik)#Modifikation von Stokes' Theorie|titel2=Modifikation von Stokes' Theorie}}
Die Idee, dass der Äther vollständig innerhalb bzw. in der Nähe der Erde mitgeführt wird, wodurch die negativen Ätherdriftexperimente erklärt werden könnten, wurde widerlegt durch
* das [[Fizeau-Experiment]],
* die Experimente von [[Oliver Lodge]] (1893), der anhand von rotierenden Scheiben herausfinden wollte, ob der Äther mitgeführt wird,
* das [[Hammar-Experiment]] (1935), bei dem ein Interferometerarm mit Blei umhüllt wurde und der andere freilag,
* den [[Sagnac-Effekt]] und
* durch die Existenz der [[Aberration (Astronomie)|Aberration des Lichtes]].
Auch die Annahme, dass die Mitführung proportional der Masse sei und somit nur für die Erde als Ganzes zutrifft, wurde durch das [[Sagnac-Interferometer#Michelson-Gale-Versuch|Michelson-Gale-Experiment]] (Messung des Sagnac-Effekts durch die Erdrotation) widerlegt.

== Spezielle Relativitätstheorie ==
=== Ausgangssituation ===
[[Albert Einstein]] zeigte 1905, dass folgende Modelle und Experimente
* die Maxwell-Lorentzsche Elektrodynamik (Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Quellengeschwindigkeit)
* die [[elektromagnetische Induktion]] ist nur von der Relativbewegung abhängig
* die negativen Ätherdriftexperimente (kein bevorzugtes Bezugssystem)
* die Aberration des Lichtes und das [[Fizeau-Experiment]] (keine vollständige Äthermitführung)
nur dann ein logisch stimmiges Ganzes ergeben, wenn die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen [[Inertialsystem]]en und das Relativitätsprinzip angenommen wird. Das Ergebnis ist die spezielle Relativitätstheorie, in der die Konzepte von Raum und Zeit einer grundlegenden Revision unterworfen werden und die [[Galilei-Transformation]] durch die [[Lorentz-Transformation]] ersetzt wird. Die Lorentz-Transformation ist nun keine Ansammlung von Hilfsvariablen (wie noch bei Lorentz) mehr, sondern betrifft das Wesen von Raum und Zeit und spiegelt eine grundlegende (Lorentz-)Symmetrie wider, wobei sie zusätzlich die Grundlage für erfolgreiche Theorien wie das [[Standardmodell]] ist. Für den materiellen Äther als ein mit einem Bewegungszustand ausgestattetes, bevorzugtes Bezugssystem war von nun an kein Platz mehr. Mit dieser Lorentz-Symmetrie bzw. -Invarianz sind eine Reihe experimentell überprüfbarer Voraussagen verbunden:<ref name="laem" />

{| class="wikitable"
!Relativitätsprinzip||Konstanz der Lichtgeschwindigkeit||[[Zeitdilatation]]
|-
|Jeder gleichförmig bewegte Bewegter (der also in einem Inertialsystem ruht) ist mit Hilfe einer mitbewegten Experimentalanordnung nicht in der Lage, seinen „absoluten“ Bewegungszustand zu messen.
|In allen Inertialsystemen ist die gemessene Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle in allen Richtungen gleich ([[Isotropie]]) und kann auch von massebehafteten Körpern nicht überschritten werden.
|Eine Uhr C (also jeder periodische Prozess), welche zwischen zwei in einem Inertialsystem ruhenden und synchronisierten Uhren A und B hin- und herbewegt wird, geht gegenüber den Uhren A und B nach.
|-
|colspan="3"|Daneben existieren noch weitere relativistische Effekte wie [[Längenkontraktion]], [[Dopplereffekt]], [[Aberration (Astronomie)|Aberration]] etc. Ebenso sind damit die experimentellen Vorhersagen relativistischer Theorien wie des [[Standardmodell]]s verbunden.
|}

=== Grundlegende Experimente ===
[[Datei:Kennedy-Thorndike experiment DE.svg|mini|250px|Das Kennedy-Thorndike-Experiment]]
Alle Aussagen der SRT können phänomenologisch aus folgenden drei Experimenten abgeleitet werden:<ref name="rob" />

* [[Michelson-Morley-Experiment]], mit dem die Richtungsabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit bezüglich eines bevorzugten Bezugssystems getestet wird. Dadurch wird das Verhältnis zwischen longitudinalen und transversalen Längen bewegter Körper bestimmt.
* [[Kennedy-Thorndike-Experiment]], mit dem die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Relativgeschwindigkeit des Messapparats bezüglich eines bevorzugten Bezugssystems getestet wird. Dadurch wird das Verhältnis zwischen longitudinaler Länge und der Dauer der Zeitabläufe bewegter Körper bestimmt.
* [[Ives-Stilwell-Experiment]], mit dem der [[Dopplereffekt|relativistische Dopplereffekt]] und damit die [[Zeitdilatation]] nachgewiesen wird.

Aus diesen Experimenten und unter Voraussetzung der Poincaré-[[Einstein-Synchronisation]] folgt die komplette Lorentz-Transformation, wobei <math>\gamma=1/\sqrt{1-v^{2}/c^{2}}</math> der [[Lorentz-Faktor]] ist:<ref name="rob" />

:<math>x'=\gamma(x-vt),\ y'=y,\ z'=z,\ t'=\gamma\left(t-\frac{vx}{c^{2}}\right)</math>.

Die Kombination dieser Experimente ist nicht nur wichtig für die phänomenologische Herleitung der Lorentz-Transformation, sondern auch, weil für sich alleine genommen die meisten Experimente mehrdeutig interpretierbar sind. Beispielsweise können Isotropieexperimente wie das Michelson-Morley-Experiment auch als einfache Konsequenz des Relativitätsprinzips angesehen werden, wonach jeder Beobachter sich als ruhend ansehen kann. Damit sind diese Experimente auch mit [[Galilei-Transformation|Galilei-invarianten]] Theorien wie der [[#Abhängigkeit von Quellengeschwindigkeit und Energie|Emissionstheorie]] oder der [[#Widerlegungen des bewegten Äthers|vollständigen Äthermitführung]] verträglich, in denen die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant ist. Erst durch die Hinzunahme anderer Experimente, welche die konkurrierenden Galilei-invarianten Theorien ausschließen (wie das Ives-Stilwell-Experiment oder die Widerlegungen der Äthermitführung oder der Emissionstheorie) verbleibt lediglich die Lorentzinvarianz und somit die SRT als einzige Theorie, welche alle Experimente erklären kann.

{| class="wikitable"
! colspan="2"| Einige Tests der speziellen Relativitätstheorie
|-
|'''[[Spezielle Relativitätstheorie|Isotropie/Konstanz der Lichtgeschwindigkeit]]'''||[[Michelson-Morley-Experiment]] • [[Michelson-Morley-Experiment#Resonator-Experimente|Resonator-Experimente]] • [[Kennedy-Thorndike-Experiment]] • [[Ives-Stilwell-Experiment#Mößbauer-Rotor-Experiment|Mößbauer-Rotor-Experiment]] • [[Hammar-Experiment]] • [[Messungen der Neutrinogeschwindigkeit]]
|-
|'''[[Lorentz-Transformation|Lorentzinvarianz]]'''||[[Hughes-Drever-Experiment]] • [[Moderne Tests der Lorentzinvarianz]] • [[Trouton-Noble-Experiment]] • [[Experimente von Rayleigh und Brace]] • [[Trouton-Rankine-Experiment]]
|-
|'''[[Zeitdilatation]]'''||[[Ives-Stilwell-Experiment]] • [[Ives-Stilwell-Experiment#Mößbauer-Rotor-Experiment|Mößbauer-Rotor-Experiment]] • [[Zeitdilatation bewegter Teilchen]] • [[Hafele-Keating-Experiment]]
|-
|'''[[Äquivalenz von Masse und Energie|Relativistische Energie]]'''||[[Tests der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung]] • [[Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente]]
|-
|'''Sagnac/Fizeau'''||[[Sagnac-Interferometer|Sagnac-Experiment]] • [[Fizeau-Experiment]]
|-
|'''Alternativen'''||[[Äther (Physik)#Probleme der Äthertheorien|Tests der Äthertheorie]] • [[Korpuskeltheorie#Widerlegungen|Tests der Emissionstheorie]]
|-
|'''Allgemein'''||[[Einweg-Lichtgeschwindigkeit]] • [[Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie]] • [[Standardmodellerweiterung]]
|}

=== Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ===
==== Interferometrie, Resonatoren ====
[[Datei:MMX with optical resonators DE.svg|mini|250px|Michelson-Morley-Experiment mit kryogenischen optischen Resonatoren durch Müller ''et al''. (2003), siehe [[Michelson-Morley-Experiment#Resonator-Experimente|Michelson-Morley-Resonator-Experimente]]]]
{{Hauptartikel|Michelson-Morley-Experiment#Resonator-Experimente|titel1=Resonator-Experimente|Kennedy-Thorndike-Experiment|Ives-Stilwell-Experiment#Mößbauer-Rotor-Experiment|titel3=Mößbauer-Rotor-Experimente}}

Zur Messung der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit werden Varianten des Michelson-Morley-Experiments und des [[Kennedy-Thorndike-Experiment]]s durchgeführt. Im Unterschied zu Michelson-Morley werden bei Kennedy-Thorndike-Experimenten unterschiedlich lange Arme benutzt, wobei die Auswertung über Monate erfolgt. Dadurch könnten etwaige Auswirkungen der Geschwindigkeitsänderungen des Apparats während der Rotation um die Sonne festgestellt werden. In modernen [[Michelson-Morley-Experiment#Resonator-Experimente|Resonator-Experimenten]] wurde unter Benutzung von [[Optischer Resonator|optischen Resonatoren]] eine mögliche Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit auf ∼10<sup>−17</sup> verringert. Dabei werden nicht nur terrestrische Tests durchgeführt, sondern auch bei Benutzung von [[Lunar Laser Ranging]], d.&nbsp;h. bei optischen Messungen zwischen Erde und Mond, konnte eine Variante des Kennedy-Thorndike-Experiments durchgeführt werden.

In den 1960ern wurden diverse Spielarten der [[Ives-Stilwell-Experiment#Mößbauer-Rotor-Experiment|Mößbauer-Rotor-Experimente]] durchgeführt, wo Sender und Empfänger auf einer rotierenden Scheibe angebracht wurden. Durch Ausnutzung des [[Mößbauer-Effekt]]s konnte anhand der gemessenen Dopplerverschiebung eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit mit großer Genauigkeit ausgeschlossen werden. (Ähnliche Experimente wurden auch zur Messung der Zeitdilatation verwendet, s. unten.)

==== Abhängigkeit von Quellengeschwindigkeit und Energie ====
[[Datei:SitterKonstanz.png|mini|de Sitters [[Doppelstern]]-Argument]]
Mit einer [[Emissionstheorie]], die besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit abhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle ist, könnte der negative Ausgang der Ätherdriftexperimente ebenfalls erklärt werden. Eine Reihe von Tests hat jedoch gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Quellgeschwindigkeit ist: beispielsweise [[Meson]]enbeobachtungen, wo die Photonen nicht die Geschwindigkeit der zerfallenden Mesonen übernahmen, der [[Sagnac-Effekt]] und die Beobachtung von [[Doppelstern]]en, deren Umlaufbahnen bei unterschiedlich schneller Ausbreitung des Lichtes verzerrt erscheinen müssten.

Durch Beobachtung von Lichtstrahlen unterschiedlicher Energie (bis zu 31 GeV) von entfernten astronomischen Quellen konnte auch gezeigt werden, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht von der Frequenz und Energie des Lichtes abhängt.<ref>Aous A. Abdo u.&nbsp;a.: ''A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects.'' In: ''[[Nature]].'' Bd. 462, Nr. 7271, 2009, S. 331–334, [[doi:10.1038/nature08574]], {{arXiv|0908.1832}}, PMID 19865083.</ref>

==== Einweg-Messungen ====
{{Hauptartikel|Einweg-Lichtgeschwindigkeit}}
Zusätzlich wurden eine Reihe von präzisen Einweg-Messungen mit Licht<ref name="faq" /> durchgeführt, die allesamt die Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie bzw. die Isotropie der Lichtgeschwindigkeit bestätigten. Hier ist allerdings zu beachten, dass immer nur die Zweiweg-Lichtgeschwindigkeit, d.&nbsp;h. von A nach B wieder zurück nach A, ''direkt'' gemessen werden kann, denn die [[Einweg-Lichtgeschwindigkeit]] (von A nach B) hängt von der Definition der Gleichzeitigkeit und somit von dem gewählten Synchronisationsschema ab. Die Poincaré-[[Einstein-Synchronisation]] macht die Einweg- gleich der Zweiweg-Lichtgeschwindigkeit. Nun sind auch andere Synchronisationen und Theorien denkbar, die eine anisotrope Einweg-Lichtgeschwindigkeit ergeben und trotzdem experimentell mit der speziellen Relativitätstheorie äquivalent sind, da auch hier Phänomene wie Zeitdilatation bewegter Uhren auftreten und die Zweiweg-Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Jedoch kann innerhalb dieser Klasse von Theorien nur die spezielle Relativitätstheorie ernsthaft in Betracht gezogen werden, da in ihr die Lorentz-Symmetrie klar zum Ausdruck kommt, während alle anderen Theorien (wie die [[lorentzsche Äthertheorie]]) nur durch eine Reihe von Hilfshypothesen und extremen Annahmen zur Uhrensynchronisation dieselben Ergebnisse erzielen können.

=== Isotropie von Raum, Masse und Energie ===
{{Hauptartikel|Hughes-Drever-Experiment}}
Ebenso wurden Messungen einer möglichen Anisotropie von Raum, Masse, Energie und damit zusammenhängend einer Verletzung der Lorentzinvarianz durch das [[Hughes-Drever-Experiment]] und diverser Spielarten davon vorgenommen. Im Gegensatz zu den Resonatorexperimenten an Photonen, werden hier die Eigenschaften von [[Proton]]en, [[Neutron]]en und [[Elektron]]en untersucht. Wenn beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit nicht mit der Grenzgeschwindigkeit der Materie bzw. der atomaren Wechselwirkungen übereinstimmt, dann sollte dies zu Abweichungen in den [[Energieniveau]]s von [[Atomkern]]en führen. Die erreichte Genauigkeit, mit der eine Anisotropie ausgeschlossen werden kann, liegt aktuell bei ca. ∼10<sup>−24</sup> [[Elektronenvolt|eV]], wodurch diese Experimente zu den genauesten Tests der SRT überhaupt zählen. Diese Experimente können auch als „Uhrenanisotropie-Experimente“ aufgefasst werden, da die verglichenen Frequenzen und periodischen Vorgänge als Uhren fungieren.<ref name="will" /><ref name="mattingly" />

=== Zeitdilatation und Längenkontraktion ===
[[Datei:Ives-Stilwell experiment DE.svg|mini|350px|Das Ives-Stilwell-Experiment (1938)]]

{{Hauptartikel|Ives-Stilwell-Experiment|Zeitdilatation bewegter Teilchen|Lorentzkontraktion#Experimentelle Bestätigungen|titel3=Bestätigungen der Lorentzkontraktion}}

Die [[Zeitdilatation]] und damit zusammenhängend der transversale relativistische [[Dopplereffekt]] konnte erstmals direkt durch das [[Ives-Stilwell-Experiment]] (1938) nachgewiesen werden, wo die Verschiebung des Schwerpunkts zwischen sich überlagernden Lichtwellen ausgewertet wurde. [[Ives-Stilwell-Experiment#Moderne Experimente|Moderne Ives-Stillwell-Messungen]] werden in Schwerionen[[speicherring]]en mit [[Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie|Sättigungsspektroskopie]] durchgeführt, wobei eine maximale Abweichung von der Zeitdilatation von ∼10<sup>−8</sup> erreicht worden ist. Eine andere Variante sind die [[Ives-Stilwell-Experiment#Mößbauer-Rotor-Experiment|Mößbauer-Rotor-Experimente]], wo auf einer Scheibe Licht von einer Quelle in der Mitte zu einem Empfänger am Rand geschickt wird. Dabei wird der Dopplereffekt unter Ausnutzung des [[Mößbauer-Effekt]]s durchgeführt.

Auch die [[Zeitdilatation bewegter Teilchen]] konnte durch Vergleich von Messungen in der Atmosphäre mit [[Teilchenbeschleuniger]]-Experimenten mit großer Genauigkeit bestätigt werden. Das [[Hafele-Keating-Experiment]] überprüft hingegen direkt das sogenannte [[Zwillingsparadoxon]]. In diesem Experiment spielt allerdings die gravitative Zeitdilatation der [[Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie]] eine wesentliche Rolle.

Während die Bestätigung der Zeitdilatation in Teilchenbeschleunigern bereits Routine ist, ist es praktisch kaum möglich, die Lorentzkontraktion direkt zu beobachten, da die Dimensionen der zu beobachtenden Teilchen zu klein sind. Jedoch gibt es indirekte Bestätigungen, wie das Verhalten bei Kollisionen von [[Schwerion]]en, welche nur erklärt werden können, wenn die erhöhte Dichte aufgrund der Lorentzkontraktion berücksichtigt wird. Ebenso führt die Kontraktion zu einer Verstärkung des Coulomb-Feldes senkrecht zur Bewegungsrichtung, deren Auswirkungen ebenfalls bereits beobachtet wurden. Dies alles führt dazu, dass relativistische Effekte wie Zeitdilatation und Längenkontraktion bei der Konstruktion von Teilchenbeschleunigern berücksichtigt werden müssen.

=== Relativistische Energie und Impuls ===
[[Datei:Bucherer expt-de.svg|mini|Experiment von Bucherer, 1908]]
{{Hauptartikel|Tests der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung|Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente}}

Seit 1901 wurden eine Reihe von Messungen durchgeführt, die überprüfen sollten, ob die Masse der Teilchen in [[Kathodenstrahl]]en abhängig ist von deren Geschwindigkeit. Die Ergebnisse zeigten tatsächlich eine solche Abhängigkeit, jedoch war die Genauigkeit, und damit die Brauchbarkeit bei der Unterscheidung verschiedener Konkurrenztheorien, lange umstritten. Schließlich konnte bei weiteren Experimenten eindeutig festgestellt werden, dass die Ergebnisse mit den Voraussagen der speziellen Relativitätstheorie übereinstimmen.

Heute werden diese Voraussagen betreffend der Zunahme der relativistischen Energie bereits routinemäßig in [[Teilchenbeschleuniger]]n bestätigt, wie beispielsweise im [[Large Electron-Positron Collider]] (Elektron-Positron-Kollisionen) oder im [[Relativistic Heavy Ion Collider]] ([[Hadron]]-Kollisionen). Die relativistischen Formeln werden dabei nicht nur aufs genaueste bestätigt, sondern sind auch für die Konstruktion von [[Zyklotron]]en und [[Synchrotron]]en notwendig, durch welche die Partikel annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

=== Sagnac und Fizeau ===
[[Datei:Sagnac-Interferometer.png|mini|Sagnac-Interferometer]]
{{Hauptartikel|Sagnac-Interferometer|Fizeau-Experiment}}
Eine weitere experimentelle Vorhersage der SRT besagt, dass zwei Strahlen, die in entgegengesetzte Richtungen einen geschlossenen Pfad durchlaufen, wobei Sender/Empfänger sich relativ zu diesem Pfad bewegen, unterschiedliche Zeitspannen benötigen, um zum Empfänger zurückzukehren (eine Folge der Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Quelle, siehe oben). Dieser Effekt konnte tatsächlich mit Hilfe eines [[Sagnac-Interferometer]]s nachgewiesen werden und muss heute beispielsweise auch für die Funktion des Navigationssystems [[Global Positioning System|GPS]] berücksichtigt werden.

Finden solche Versuche innerhalb dichter und bewegter Medien statt, muss dabei auch der durch das [[Fizeau-Experiment]] nachgewiesene fresnelsche Mitführungskoeffizient berücksichtigt werden. Dieser wurde oben zwar als Bestätigung eines annähernd ruhenden Äthers bezeichnet, jedoch ergibt sich dieser in der SRT als simple Konsequenz des [[Relativistisches Additionstheorem für Geschwindigkeiten|relativistischen Geschwindigkeitsadditionstheorems]] für geringe Geschwindigkeiten.

=== Weitere moderne Tests ===
{{Hauptartikel|Moderne Tests der Lorentzinvarianz}}
Der technische Fortschritt ermöglichte in den letzten Jahren eine Reihe von Hochpräzisionsmessungen zur Prüfung moderner Theorien der [[Quantengravitation]], die möglicherweise minimale Verletzungen der Lorentzinvarianz zulassen. Dazu zählen auch Abweichungen vom [[Äquivalenzprinzip (Physik)|schwachen Äquivalenzprinzip]], da gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie in frei fallenden Bezugssystemen eine „lokale Lorentzinvarianz“ (LLI) gilt.<ref name="mattingly" />

* Neben den oben bereits erwähnten modernen Variationen von Michelson-Morley und Kennedy-Thorndike, werden auch Uhrenanisotropie-Experimente im Sinne des [[Hughes-Drever-Experiment]]s weiterhin ausgeführt, die den Protonen- und Neutronen-Sektor abdecken. Für mögliche Abweichungen von der Lorentzinvarianz im Elektronen-Sektor werden [[Spinpolarisation|spinpolarisierte]] [[Drehwaage|Torsionswaagen]] untersucht.

* Die Zeitdilatation wird in modernen Experimenten durch Beobachtung des Dopplereffekts von [[Lithium]] nachgewiesen, wobei diese Experimente für den Elektronen-, Protonen- und Photonen-Sektor gültig sind.

* Andere Experimente benutzen [[Penning-Falle]]n, wo in elektrostatischen- und Magnetfeldern Abweichungen von der Zyklotronbewegung im Magnetfeld und der [[Larmorfrequenz|Larmorpräzession]] beobachtet werden können.

* Abweichungen von der [[CPT-Theorem|CPT-Symmetrie]], deren Bruch in den meisten Fällen eine Verletzung der Lorentzinvarianz implizieren würde, werden durch Experimente an neutralen [[Meson]]en, Penning-Fallen und [[Myon]]en bestimmt. Bislang wurden keine CPT-Verletzungen festgestellt.

* Andere Testmöglichkeiten sind [[Schwellenenergie]]effekte bei Licht, Elektronen und anderen Teilchen. Eine Lorentz-Verletzung könnte dazu führen, dass die daraus folgenden Reaktionen nicht mehr den Standardwerten entsprechen.

* Geforscht wird nach räumlichen Anisotropien in den [[Neutrinooszillation]]en. Ebenso werden [[Messungen der Neutrinogeschwindigkeit]] durchgeführt.

* Astronomische Tests werden im Zusammenhang mit der Flugzeit von Photonen durchgeführt, wo mögliche, zur Lorentz-Verletzung führende Einflüsse von [[Dispersion (Physik)|Dispersion]] und [[Doppelbrechung]] gemessen werden können. Dies könnte dazu führen, dass sich Photonen von unterschiedlicher [[Energie]], [[Frequenz]] oder [[Polarisation]] unterschiedlich schnell ausbreiten. Als weitere Kandidaten zu Untersuchungen bieten sich vor allem [[Synchrotronstrahlung|Synchrotronstrahlen]] an. Ebenso werden [[Beugungsscheibchen|Beugungsringe]] nach möglichen Abweichungen von der Lorentzinvarianz untersucht, deren Photonen dadurch außer Phase geraten können.

* Zusätzlich werden Beobachtungen im [[Higgs-Boson|Higgs]]-Sektor angestellt.

== Testtheorien ==
{{Hauptartikel|Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie}}
Aufgrund der mannigfaltigen Möglichkeiten einer Verletzung der Lorentzinvarianz aufgrund von Quantenphänomenen in modernen Experimenten wurden verschiedene Testtheorien entwickelt, welche durch Beifügung verschiedener Parameter in ihren experimentellen Konsequenzen von der speziellen Relativitätstheorie abweichen und dadurch die Möglichkeit geben, eventuelle Abweichungen vorauszusagen bzw. theoretisch zu interpretieren. Dazu gehören die bereits ältere Testtheorie von Robertson-Mansouri-Sexl (1977), und die immer mehr an Bedeutung gewinnende [[Standardmodellerweiterung]] mit einer noch weit größeren Anzahl von Parametern, welche andere Testtheorien in sich einschließt.

== Status ==
Die spezielle Relativitätstheorie ist durch viele Experimente bestätigt worden. Trotz großer Anstrengungen ist es bislang nicht gelungen, Verletzungen der Lorentzinvarianz experimentell zu bestimmen. Sollten diese in Zukunft gefunden werden, so können diese nur im bisher experimentell kaum zugänglichen Bereich der [[Planck-Skala]] angesiedelt sein.

== Siehe auch ==
* [[Geschichte der speziellen Relativitätstheorie]]

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="laem">
Claus Lämmerzahl: ''Special Relativity and Lorentz Invariance.'' In: ''[[Annalen der Physik]].'' Bd. 14, Nr. 1/3 = ''Special Issue Albert Einstein'', 2005, S. 71–102, [[doi:10.1002/andp.200410127]].
</ref>
<ref name="laub">
[[Jakob Laub (Physiker)|Jakob Laub]]: ''Über die experimentellen Grundlagen des Relativitätsprinzips.'' In: ''Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik.'' Bd. 7, 1910, {{ZDB|533845-1}}, S. 405–463.
</ref>
<ref name="mattingly">
David Mattingly: ''Modern Tests of Lorentz Invariance.'' In: ''Living Reviews in Relativity.'' Bd. 8, Nr. 5, 2005, [[doi:10.12942/lrr-2005-5]].
</ref>
<ref name="rob">
[[Howard P. Robertson]]: ''Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity.'' In: ''Reviews of Modern Physics.'' Bd. 21, Nr. 3, 1949, S. 378–382, [[doi:10.1103/RevModPhys.21.378]].
</ref>
<ref name="faq">
{{Cite web |author=Tom Roberts, Siegmar Schleif|year=2007 |title=What is the experimental basis of Special Relativity? |url=https://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/SR/experiments.html |work=Usenet Physics FAQ |publisher=[[University of California, Riverside]] |accessdate=2014-12-10}}
</ref>
<ref name="will">
[[Clifford Will|Clifford M. Will]]: ''Special Relativity: A Centenary Perspective.'' In: [[Thibault Damour]], [[Olivier Darrigol]], Bertrand Duplantier, [[Vincent Rivasseau]] (Hrsg.): ''Einstein, 1905–2005. Poincaré Seminar 2005'' (= ''Progress in Mathematical Physics.'' Bd. 47). Birkhäuser, Basel u.&nbsp;a. 2006, ISBN 3-7643-7435-7, S. 33–58, {{arXiv|gr-qc/0504085}}.
</ref>
<ref name="zhang">
Yuan Zhong Zhang: ''Special Relativity and Its Experimental Foundations'' (= ''Advanced Series on Theoretical Physical Science.'' Bd. 4). World Scientific, Singapore u.&nbsp;a. 1997, ISBN 981-02-2749-3.
</ref>
</references>

[[Kategorie:Spezielle Relativitätstheorie]]
[[Kategorie:Test der Speziellen Relativitätstheorie| ]]
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