Was ist die Relativitätstheorie?

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Wir erleben die Zeit meist als gleichmäßigen Strom: Eine Sekunde ist eine Sekunde, ob wir auf dem Sofa sitzen oder im Zug fahren. Auch der Raum scheint eine feste Bühne zu sein, auf der sich alles abspielt. Albert Einstein zeigte, dass diese Alltagsvorstellung nur näherungsweise stimmt. Wie viel Zeit zwischen Ereignissen vergeht und welche Entfernung zwischen ihnen liegt, hängt auch von Bewegung und Schwerkraft ab. Seine Relativitätstheorie besteht aus zwei Teilen: der speziellen Relativitätstheorie von 1905 und der allgemeinen Relativitätstheorie von 1915.

Die spezielle Relativitätstheorie: Zeit hängt von Bewegung ab

Einsteins Ausgangspunkt war eine überraschende Eigenschaft des Lichts: Im Vakuum messen alle gleichförmig und geradlinig bewegten Beobachter dieselbe Lichtgeschwindigkeit – rund 300.000 Kilometer pro Sekunde. Außerdem gelten für sie dieselben physikalischen Gesetze. Es gibt keinen ausgezeichneten Zustand absoluter Ruhe.

Daraus folgt etwas, das unserer Alltagserfahrung widerspricht: Beobachter, die sich relativ zueinander bewegen, messen unterschiedliche Zeitspannen und Längen. Eine bewegte Uhr tickt aus Sicht eines Beobachters langsamer. Auch die Länge eines vorbeifliegenden Gegenstands wird in Bewegungsrichtung kürzer gemessen. Das sind keine Messfehler oder optischen Täuschungen.

Anschaulich wird das am Beispiel einer Weltraumreise: Fliegt ein Mensch nahezu mit Lichtgeschwindigkeit zu einem entfernten Stern und kehrt zurück, kann er deutlich weniger gealtert sein als die Menschen auf der Erde. Während seiner Reise erlebt er seinen eigenen Zeitablauf jedoch ganz normal.

Zur speziellen Relativitätstheorie gehört auch die berühmte Formel E = mc². Sie beschreibt die Ruheenergie eines Körpers: Bereits einer kleinen Masse entspricht eine enorme Energiemenge, weil die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat als Faktor eingeht.

Die allgemeine Relativitätstheorie: Schwerkraft als Krümmung

Mit der allgemeinen Relativitätstheorie entwickelte Einstein eine neue Erklärung der Schwerkraft. Raum und Zeit bilden gemeinsam die vierdimensionale Raumzeit. Masse und Energie beeinflussen deren Geometrie. Frei fallende Körper folgen den geradestmöglichen Bahnen innerhalb dieser gekrümmten Raumzeit. So lässt sich auch die Bewegung der Erde um die Sonne verstehen: Die Sonne verändert die Raumzeit in ihrer Umgebung, und die Erde folgt einer Bahn darin.

Häufig wird dafür das Bild einer schweren Kugel auf einem gespannten Tuch verwendet. Die Kugel erzeugt eine Mulde, die die Bewegung kleinerer Kugeln beeinflusst. Dieses Bild hilft beim Einstieg, hat aber Grenzen: Die wirkliche Raumzeit ist kein Tuch, und auch die Zeit ist an ihrer Krümmung beteiligt.

Eine besonders erstaunliche Folge lautet: Uhren laufen unter unterschiedlichen Gravitationsbedingungen verschieden schnell. Eine Uhr auf Meereshöhe tickt etwas langsamer als eine vergleichbare Uhr hoch oben auf einem Berg.

Warum das im Alltag wichtig ist

Solche Unterschiede sind winzig, lassen sich aber messen. Bei der Satellitennavigation müssen sie berücksichtigt werden: Die Bewegung der GPS-Satelliten und die geringere Schwerkraft in ihrer Höhe beeinflussen den Gang ihrer Uhren unterschiedlich. Ohne entsprechende Korrekturen würde die Positionsbestimmung rasch ungenau.

Auch astronomische Beobachtungen bestätigen Einsteins Theorie: Große Massen lenken Licht ab, die Bahn des Merkur weist eine zuvor unerklärte Verschiebung auf, und Zusammenstöße Schwarzer Löcher erzeugen messbare Gravitationswellen.

Schwarze Löcher: Wenn selbst Licht nicht entkommt

Ein Schwarzes Loch kann entstehen, wenn ein sehr massereicher Stern unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenbricht. Dabei bildet sich ein Bereich, aus dem kein Lichtsignal mehr nach außen gelangen kann. Seine Grenze heißt Ereignishorizont.

Was tief im Inneren geschieht, ist eine offene Forschungsfrage. Die klassische Relativitätstheorie führt dort unter bestimmten Bedingungen zu einer Singularität: einer Grenze ihrer Beschreibung, an der etwa berechnete Krümmungen unendlich werden können. Das beweist nicht, dass in der Natur tatsächlich ein unendlich kleiner Punkt mit unendlicher Dichte existiert. Vielmehr deutet es darauf hin, dass die Theorie dort ergänzt werden muss.

Der Urknall: Die frühe Geschichte des Universums

Die allgemeine Relativitätstheorie bildet auch eine Grundlage unserer heutigen Kosmologie. Sie ermöglicht Modelle eines Universums, dessen Raum sich ausdehnt. Verfolgt man diese Entwicklung rückwärts, gelangt man zu einem zunehmend heißen und dichten frühen Universum. Der Urknall bezeichnet dabei keine Explosion an einem bestimmten Ort in einen bereits vorhandenen leeren Raum. Die Expansion betrifft den Raum selbst. Die heiße Frühphase des Universums ist durch Beobachtungen gut belegt. Ob es ganz am Anfang tatsächlich eine Singularität gab, wissen wir dagegen nicht.

Die offene Frage: Wie passen Schwerkraft und Quantenphysik zusammen?

Die Relativitätstheorie beschreibt Gravitation mit großer Genauigkeit. Die Quantenphysik erklärt ebenso erfolgreich das Verhalten von Atomen und Elementarteilchen. Schwierigkeiten entstehen dort, wo sowohl starke Gravitation als auch Quanteneffekte entscheidend werden – etwa im tiefen Inneren Schwarzer Löcher oder bei der Beschreibung des frühesten Universums.

Gesucht wird deshalb eine Theorie der Quantengravitation, die beide Beschreibungen miteinander verbindet. Zu den Forschungsansätzen gehören die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation. Ob einer dieser Ansätze die Natur richtig beschreibt, ist bislang nicht abschließend geklärt.

Werner Eberwein