Was ist die Relativitätstheorie?

Albert Einstein war für viele Dinge berühmt, aber sein größtes Geistesprodukt ist die Relativitätstheorie. Sie hat unser Verständnis von Raum und Zeit für immer verändert.

Was ist die Relativitätstheorie? Kurz gesagt, ist es die Vorstellung, dass die Gesetze der Physik überall gleich sind. Wir hier auf der Erde gehorchen denselben Gesetzen des Lichts und der Schwerkraft wie jemand in einer weit entfernten Ecke des Universums.

Die Universalität der Physik bedeutet, dass die Geschichte provinziell ist. Verschiedene Betrachter werden den Zeitpunkt und die Abstände der Ereignisse unterschiedlich sehen. Was für uns eine Million Jahre ist, kann für jemanden, der in einer Hochgeschwindigkeitsrakete fliegt oder in ein schwarzes Loch fällt, nur ein Wimpernschlag sein.

Alles ist relativ.

Spezielle Relativitätstheorie

Einsteins Theorie wird in spezielle und allgemeine Relativitätstheorie unterteilt.

Die spezielle Relativitätstheorie kam zuerst auf und basiert darauf, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle konstant ist. Das mag einfach erscheinen, hat aber weitreichende Konsequenzen.

Einstein kam 1905 zu diesem Schluss, nachdem er experimentell nachgewiesen hatte, dass sich die Lichtgeschwindigkeit nicht ändert, wenn sich die Erde um die Sonne dreht.

Dieses Ergebnis war für die Physiker überraschend, denn die Geschwindigkeit der meisten anderen Dinge hängt davon ab, in welche Richtung sich der Beobachter bewegt. Wenn man mit dem Auto an einer Bahnstrecke entlangfährt, scheint ein auf einen zukommender Zug viel schneller zu sein, als wenn man sich umdreht und ihm in dieselbe Richtung folgt.

Einstein sagte, dass alle Beobachter die Lichtgeschwindigkeit mit 186.000 Meilen pro Sekunde messen, egal wie schnell und in welche Richtung sie sich bewegen.

Diese Maxime veranlasste den Komiker Stephen Wright zu der Frage: „Wenn Sie in einem Raumschiff sitzen, das mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, und Sie schalten die Scheinwerfer ein, passiert dann irgendetwas?“

Die Antwort lautet: Die Scheinwerfer schalten sich ganz normal ein, aber nur aus der Perspektive der Person, die sich im Raumschiff befindet. Für jemanden, der draußen steht und das Schiff vorbeifliegen sieht, scheinen sich die Scheinwerfer nicht einzuschalten: Licht kommt heraus, aber es bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Raumschiff.

Diese widersprüchlichen Versionen entstehen, weil Lineale und Uhren – die Dinge, die Zeit und Raum markieren – für verschiedene Beobachter nicht dieselben sind. Wenn die Lichtgeschwindigkeit konstant gehalten werden soll, wie Einstein sagte, dann können Zeit und Raum nicht absolut sein; sie müssen subjektiv sein.

Zum Beispiel wird ein 100 Fuß langes Raumschiff, das mit 99,99% der Lichtgeschwindigkeit reist, einem stationären Beobachter einen Fuß lang erscheinen, aber es wird seine normale Länge für diejenigen an Bord beibehalten.

Vielleicht ist es sogar noch seltsamer, dass die Zeit langsamer vergeht, je schneller man fährt. Wenn eine Zwillingsschwester in einem rasenden Raumschiff zu einem fernen Stern fliegt und dann zurückkommt, wird sie jünger sein als ihre Schwester, die auf der Erde geblieben ist.

Auch die Masse hängt von der Geschwindigkeit ab. Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto massiver wird es. Tatsächlich kann kein Raumschiff jemals 100 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, weil seine Masse ins Unendliche wachsen würde.

Dieses Verhältnis zwischen Masse und Geschwindigkeit wird oft als Verhältnis zwischen Masse und Energie ausgedrückt: E=mc^2, wobei E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Allgemeine Relativitätstheorie

Einstein war noch nicht fertig damit, unser Verständnis von Zeit und Raum umzuwerfen. Er verallgemeinerte seine Theorie, indem er die Beschleunigung mit einbezog, und stellte fest, dass dies die Form von Zeit und Raum verzerrte.

Um bei dem obigen Beispiel zu bleiben: Stellen Sie sich vor, das Raumschiff beschleunigt, indem es seine Triebwerke zündet. Die Menschen an Bord werden am Boden kleben, als wären sie auf der Erde. Einstein behauptete, dass die Kraft, die wir als Schwerkraft bezeichnen, nicht davon zu unterscheiden ist, ob man sich in einem beschleunigenden Schiff befindet.

Das war an sich nicht so revolutionär, aber als Einstein die komplexe Mathematik ausarbeitete (er brauchte 10 Jahre dafür), entdeckte er, dass Raum und Zeit in der Nähe eines massiven Objekts gekrümmt sind, und diese Krümmung ist das, was wir als Schwerkraft erleben.

Es ist schwierig, sich die gekrümmte Geometrie der allgemeinen Relativitätstheorie vorzustellen, aber wenn man sich die Raumzeit als eine Art Gewebe vorstellt, dann dehnt ein massives Objekt das umgebende Gewebe so, dass alles, was in der Nähe vorbeigeht, nicht mehr einer geraden Linie folgt.

Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie sagen eine Reihe von Phänomenen voraus, von denen viele bestätigt worden sind:

• die Beugung des Lichts um massive Objekte (Gravitationslinseneffekt)
• eine langsame Entwicklung der Umlaufbahn des Planeten Merkur (Perihelpräzession)
• das Ziehen der Raumzeit um rotierende Körper
• die Abschwächung des Lichts, das der Anziehungskraft der Schwerkraft entgeht (gravitative Rotverschiebung)
• Gravitationswellen (Wellen im Raum-.Zeitgefüge), die durch kosmische Zusammenstöße verursacht werden
• die Existenz von Schwarzen Löchern, die alles einschließen, auch das Licht

Die Verformung der Raumzeit um ein Schwarzes Loch ist intensiver als anderswo. Wenn der raumfahrende Zwilling in ein schwarzes Loch fallen würde, würde er wie Spaghetti gedehnt werden.

Glücklicherweise wäre das Ganze in ein paar Sekunden vorbei. Aber ihre Schwester auf der Erde würde das Ende nie erleben – sie würde zusehen, wie sich ihre arme Schwester über das Alter des Universums hinweg immer weiter auf das Schwarze Loch zubewegt.