Längenkontraktion bezieht sich auf ein Phänomen, bei dem ein Objekt entlang seiner Bewegungsrichtung von einem Beobachter als kürzer wahrgenommen wird, wenn sich das Objekt relativ zu diesem Beobachter bewegt. Sie wird auch Lorentz-Kontraktion oder Lorentz-Fitzgerald-Kontraktion genannt, nach den Physikern Hendrik Lorentz und George Fitzgerald. Je schneller sich ein Objekt relativ zum Beobachter bewegt, desto stärker zieht es sich aus der Perspektive des Beobachters zusammen. Dieser Effekt ist so gering, dass er bei Geschwindigkeiten, denen Menschen im täglichen Leben wahrscheinlich begegnen, vernachlässigbar ist, aber bei Objekten, die sich mit einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit bewegen, wird er deutlicher.
Das Phänomen der Längenkontraktion ist eine Folge der speziellen Relativitätstheorie. Nach der Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (ungefähr 300,000 Kilometer oder 186,000 Meilen pro Sekunde) oder c für alle Beobachter immer konstant. Entgegen der Intuition bleibt dies für Licht der Fall, das von einer Quelle emittiert wird, die sich aus der Perspektive eines Beobachters bewegt.
Angenommen, ein Objekt wird in Fahrtrichtung von einem Raumschiff aus gestartet, das sich mit 5 Kilometern pro Sekunde (KPS) relativ zur Erde bewegt und es mit 1 KPS vom Schiff wegtreibt. Ein Beobachter im Schiff nimmt es als eine Entfernung von 1 KPS wahr, während ein Beobachter auf der Erde eine Bewegung mit 6 KPS wahrnimmt. Wenn ein externes Licht auf dem Schiff eingeschaltet wird, erkennt der Beobachter im Schiff das Licht, das sich bei c vom Schiff wegbewegt, aber der Beobachter auf der Erde nimmt auch das Licht wahr, das sich bei c bewegt, nicht bei c plus der Geschwindigkeit des Schiffes .
Das Ergebnis ist, dass der genaue Moment, in dem das Licht des Schiffs einen bestimmten Ort erreicht, für verschiedene Beobachter abhängig von ihrer Geschwindigkeit relativ zum Raumschiff variiert. Folglich werden sie sich nicht darüber einig sein, welche anderen Ereignisse im selben Moment stattfanden. Dies wird als Relativität der Gleichzeitigkeit bezeichnet.
Wie dies mit der erkannten Länge eines Objekts zusammenhängt, wird allgemein im folgenden Gedankenexperiment erklärt. Stellen Sie sich eine Reihe von synchronisierten Uhren vor, bei denen jede Uhr messen kann, wann das linke und das rechte Ende eines sich bewegenden Objekts davor vorbeiziehen. Nachdem sich ein Objekt an der Reihe von Uhren vorbeibewegt hat, kann ein Beobachter seine Länge bestimmen, indem er den Abstand berechnet, den zwei Uhren voneinander haben müssten, damit das rechte Ende des Objekts eine Uhr im selben Moment erreicht, in dem das linke Ende die zweite erreicht Uhr.
Zwei Beobachter, die sich einen Bezugsrahmen teilen, werden sich über die Länge einigen. Da die Messung jedoch darauf basiert, welche Ereignisse gleichzeitig auftreten, werden sich relativ zueinander bewegende Beobachter über die Länge nicht einig. Je höher die Geschwindigkeit eines Beobachters relativ zu den Uhren ist, desto mehr unterscheiden sich seine Messungen von denen eines relativ zu diesen ruhenden Beobachters.
Der Effekt der Längenkontraktion nimmt bei höheren Geschwindigkeiten zu. Ein Objekt, das sich mit 0.05 c (5 Prozent der Lichtgeschwindigkeit) bewegt, etwa 14,990 Kilometer pro Sekunde, wird einem stationären Beobachter sehr leicht verkürzt erscheinen – etwa 9,314 Prozent seiner Länge im Ruhezustand, wenn es parallel ausgerichtet ist zur Linie seiner Bewegung. Die vom Beobachter gesehene Länge verringert sich auf 99.87 Prozent ihrer Ruhelänge bei 97.79 c, 0.2 Prozent bei 91.65 c und 0.4 Prozent bei 71.41 c. Bei 0.7c wird die erkannte Länge des Objekts auf 0.9 Prozent reduziert und bei 43.58c auf nur noch 0.999 Prozent geschrumpft. Näher an c wird die Kontraktion noch extremer, obwohl sich die Länge nie auf Null zusammenzieht.
Wenn ein Beobachter mit dem Objekt reist, nimmt dieser Beobachter das Objekt nicht als zusammenziehend wahr, da aus seiner Perspektive die Relativgeschwindigkeit des Objekts Null ist. Im Bezugssystem dieses Beobachters ist das Objekt stationär, während sich der Rest des Universums relativ zum Beobachter bewegt, und aus der Perspektive dieses Beobachters ist es der Rest des Universums, der sich zusammenzieht.
Die Änderung der gemessenen Länge eines Objekts, das einer Längenkontraktion unterzogen wird, unterscheidet sich davon, wie das Objekt tatsächlich visuell aussehen würde, wie es vom menschlichen Auge oder einer Kamera gesehen wird, da sich ein Objekt, das sich schnell genug bewegt, um eine merkliche Längenkontraktion zu erzeugen, mit einem signifikanten Prozentsatz von . bewegt die Geschwindigkeit seines eigenen Lichts. Bei solchen Geschwindigkeiten erreichen Photonen, die gleichzeitig von verschiedenen Teilen des Objekts emittiert werden, den Beobachter zu erheblich unterschiedlichen Zeiten und verzerren das visuelle Erscheinungsbild des Objekts. Somit würde ein Objekt, das sich mit hoher Geschwindigkeit auf einen Beobachter zubewegt, verzerrt werden, so dass es trotz der Längenkontraktion tatsächlich länger erscheinen würde. Ein Objekt, das sich vom Beobachter wegbewegt, würde aufgrund des gleichen Zeitverzögerungseffekts zusätzlich zur tatsächlichen Längenkontraktion kürzer aussehen, und ein Objekt, das sich am Beobachter vorbeibewegt, würde schief oder gedreht erscheinen.