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Zielformeln:

Erdsystem:d=v⋅t=v⋅γτMyonsystem:ℓ=ℓ0γ

Gültigkeit/Annahmen:

  • Inertialsysteme (die Erde näherungsweise; das Myon fliegt geradlinig-gleichförmig, v=const).
  • Der Gamma-Faktor γ=11−v2/c2 wird hier nicht selbst hergeleitet — er steht direkt im Formelnheft S. 5 und darf zitiert werden.
  • τ=2,2 μs ist die mittlere Lebensdauer (Mittelwert des exponentiellen Zerfalls); sie wird unten als „typische Lebensdauer" verwendet — eine statistische Näherung, die das Ergebnis (klassisches Versagen, relativistische Konsistenz) nicht ändert.
  • ★ Maturafrage: Bogen „Physikalische Naturphänomene" (kosmische Strahlung / Myonenproblem).

Verwendete Formeln ​

FormelNameFormelnheft
γ=11−v2/c2Gamma-Faktor✅ S. 5 („γ=1/1−v2/c2")
t=t0⋅γZeitdilatation✅ S. 5 („Zeitdilatation t=t0⋅γ")
ℓ=ℓ0⋅1γLängenkontraktion✅ S. 5 („Längenkontraktion l=l0⋅(1/γ)")
v=stDefinition der gleichförmigen Bewegung❌ nicht im Formelnheft — elementare Definition, selbst anschreiben
c=2,9979⋅108 m/sLichtgeschwindigkeit✅ S. 1 (Konstantentabelle)

Herleitung (Schritt für Schritt) ​

Schritt 0 — der klassische Widerspruch (warum Relativität nötig ist) ​

  1. Klassische Maximalreichweite = maximal mögliche Geschwindigkeit × Lebensdauer. Nichts ist schneller als Licht, also v≤c:dmax=c⋅τ
  2. Einsetzen (c≈3⋅108 m/s, τ=2,2⋅10−6 s):dmax≈3⋅108 ms⋅2,2⋅10−6 s≈660 m
  3. Myonen entstehen in h≈20 km Höhe: 660 m≪20 km — klassisch erreicht kein Myon den Boden. Gemessen werden sie dort aber massenhaft → die klassische Physik versagt vollständig (nicht knapp: klassisch käme nur ein Anteil e−20000/660≈10−13 an).

Weg A — Zeitdilatation (aus Sicht der Erde) ​

  1. Eigenzeit identifizieren. Die Lebensdauer τ=2,2 μs ist mit der eigenen Uhr des Myons gemessen — die Uhr ruht relativ zum Myon, also ist τ das t0 der Formelnheft-Formel.
  2. Zeitdilatation anwenden (S. 5). Im Erdsystem geht die bewegte Uhr langsamer; das Myon „lebt" für uns die gedehnte Zeitt=γτ
  3. γ berechnen (v=0,9995c):v2c2=0,99952=0,99900025,1−v2c2=9,9975⋅10−4γ=19,9975⋅10−4=10,031619≈31,6(Das Skriptum rundet auf „ca. 32" — derselbe Wert, nur anders gerundet.)
  4. Gedehnte Lebensdauer:t=γτ≈31,6⋅2,2 μs≈69,6 μs
  5. Flugstrecke (gleichförmig, d=v⋅t):d=v⋅γτ≈0,9995⋅2,9979⋅108 ms⋅6,96⋅10−5 s≈2,086⋅104 m≈21 km
  6. Schluss A: 21 km ≥ 20 km ✓ — im Erdsystem lebt das Myon dank Zeitdilatation lange genug, um vom Entstehungsort bis zum Boden zu kommen.

Weg B — Längenkontraktion (aus Sicht des Myons) ​

  1. Das Myon selbst merkt nichts. In seinem eigenen System beträgt die Lebensdauer einfach τ=2,2 μs — nichts ist gedehnt.
  2. Ruhelänge identifizieren. Die 20 km Atmosphäre sind im System gemessen, in dem die Atmosphäre ruht (Erdsystem) — das ist das ℓ0 des Formelnhefts.
  3. Längenkontraktion anwenden (S. 5). Für das Myon bewegt sich die Atmosphäre entgegen und ist daher verkürzt:ℓ=ℓ0γ=20000 m31,6≈630 m
  4. In der Lebensdauer erreichbare Strecke:v⋅τ≈0,9995⋅2,9979⋅108 ms⋅2,2⋅10−6 s≈659 m≈660 m
  5. Schluss B: 630 m ≤ 660 m ✓ — aus Sicht des Myons sind nur noch ca. 630 m Atmosphäre zu durchqueren; die kurze Lebensdauer reicht gerade aus.

Schritt 3 — Vergleich der Perspektiven = Konsistenz der Relativitätstheorie ​

ZeitStreckeErgebnis
Erdsystem (Weg A)gedehnt: γτ≈69,6 μsOriginallänge 20 kmkommt an ✓
Myonsystem (Weg B)Original τ=2,2 μsverkürzt: 20 km/γ≈630 mkommt an ✓

Beide Bezugssysteme liefern für die beobachtbare Tatsache (Myon erreicht den Boden) dasselbe Ergebnis — die gedehnte Zeit des einen ist die verkürzte Strecke des anderen (beide über dasselbe γ verknüpft). Genau das ist die Selbstkonsistenz der SRT: physikalische Schlussfolgerungen hängen nicht von der Wahl des Bezugssystems ab.

✎ Schreibweise: Das Skriptum schreibt tb=tr1−v2/c2 (umgestellt, andere Indizes) — das ist dieselbe Formel wie t=t0γ im Formelnheft; Inhalt unverändert: die bewegte Uhr zeigt weniger Zeit an.

Variablentabelle ​

SymbolBedeutungSI-Einheit
τ (=t0)mittlere Lebensdauer des Myons = Eigenzeit (mitbewegte Uhr)s (2,2⋅10−6 s)
tim Erdsystem gemessene (gedehnte) Lebensdauers
γLorentz-/Gamma-Faktor— (dimensionslos, hier ≈31,6)
vGeschwindigkeit des Myons (0,9995c)m/s
cVakuumlichtgeschwindigkeit =2,9979⋅108 (Formelnheft S. 1)m/s
dFlugstrecke im Erdsystemm
ℓ0Ruhelänge (Atmosphärendicke ≈20 km, im Erdsystem)m
ℓ(kontrahierte) Atmosphärendicke im Myonsystemm

Verknüpfungen ​