Albert Einsteins Relativitätstheorie

Die umfängliche Aufhebung des herrschenden Weltbildes

Albert Einsteins Relativitätstheorie beschreibt die Struktur von Raum und Zeit sowie das Wesen der Gravitation. Sie besteht aus der Speziellen Relativitätstheorie SRT, die 1905 in dem Artikel "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" der Zeitschrift "Annalen der Physik" veröffentlicht wurde, und der 1916 abgeschlossenen Allgemeinen Relativitätstheorie ART. In der Speziellen Relativitätstheorie – speziell deswegen, weil sie nur in Abwesenheit der Gravitation gilt - zeigt Einstein auf, dass Alltagserfahrungen zu zahlreichen Ereignissen in Raum und Zeit auf den Kopf gestellt werden und nicht absolut, sondern relativ gültig sind, weil sie vom Bewegungs- bzw. Ruhezustand des Beobachters abhängen. Demnach ist Zeit nicht – wie üblich angenommen - absolut: Bewegte Uhren laufen langsamer. In der Allgemeinen Relativitätstheorie, die auf der SRT aufbaut und mathematisch komplexer ist, führte er Relativität und Gravitation zusammen. Raum und Zeit oder Raumzeit ist dynamisch, wird von der in ihr enthaltenen Materie verzerrt und hat Einfluss auf die Bewegung der Materie. Die ART erlaubt Voraussagen, so zum Beispiel, dass auch Licht sich ablenken lässt.

Spezielle Relativitätstheorie SRT

Einsteins Spezielle Relativitätstheorie formuliert das Relativitätsprinzip für alle physikalischen Vorgänge in Bezug auf Raum und Zeit – ohne Auswirkung der Schwerkraft. Sie besagt, dass Ereignisse relativ bzw. abhängig sind vom Bewegungszustand des Beobachters, der darüber etwas aussagt oder urteilt. Demnach existiert nicht nur eine Realität von ein und demselben Ereignis, sondern unzählige, da es auch eben so viele Geschwindigkeiten gibt. Weiterhin erklärt der Physiker, dass die Größen Geschwindigkeit, Weg und Zeit in der Formel Geschwindigkeit = Weg/Zeit abhängig  von der Position des Beobachters sind.

Bewegte Uhren laufen langsamer als stehende

Eines der bekanntesten Beispiele der SRT ist die Zeitdehnung. Eine weit verbreitete alltägliche Behauptung ist, dass Zeit absolut sei und überall gleich schnell ablaufe. Doch die Zeitdehnung, auch als "relativistische Zeitdilatation" bezeichnet, macht deutlich, dass Uhren, die sich in Bewegung befinden, langsamer laufen als in Ruhe befindliche Uhren. Dieses Relativitätsprinzip konnte erst um 1960 experimentell belegt werden, weil zur Messung minimalster Abweichungen Hochpräzisionsgeräte wie Cäsiumuhren notwendig sind. Sie messen mit Messgenauigkeit von Nanosekunden, also im Bereich von Milliardstel Sekunden. Experimentell wurde nachgewiesen, dass eine Uhr in einem Flugzeug mit einer Reisegeschwindigkeit von 830 km/h auf einem Flug von Frankfurt – Bosten und zurück 28 Milliardenstel Sekunden langsamer läuft als eine baugleich Uhr in Ruheposition.

Alltagsbeispiel Zugfahrt

Ein Passagier im Zug mit einer Geschwindigkeit von 60km/h, der im Gang des Zugs läuft, hat für Mitreisende eine reguläre Laufgeschwindigkeit von circa 5 km/h. Für einen z.B. am Bahnhof außenstehenden Beobachter dagegen läuft dieser Passagier, der sich im Zug mit einer Laufgeschwindigkeit von rund 5 km/h bewegt, schneller. Exakt mit 60 km/h + 5 km/h = 65 km/h. Zwei weitere Alltagsbeispiele für den Bewegungs- bzw. Ruhezustand und die Position des Beobachters: Ein Düsenjäger fliegt für einen Beobachter am Boden schneller als für einen Passagier aus einem Linienflieger, der von den Düsenjäger überholt wird. Oder: Ein am Schreibtisch Sitzender mag für sich oder einen Nebenstehende in Ruhe sein, aber für einen Beobachter aus dem All bewegt er sich mit der Erde, die sich um sich selbst und um die Sonne dreht.

Bewegte Körper sind verkürzt

Zur Speziellen Relativitätstheorie gehört ebenso die Längenkontraktion, die besagt, dass sich ein bewegter Körper in Bewegungsrichtung verkürzt. Ein Körper von einer Länge von 6 m verkürzt sich in Bewegungsrichtung um den Faktor 1,25, wenn er sich mit 60% Lichtgeschwindigkeit bewegt. Er misst dann nur noch 4,8 m. Der Verkürzungsfaktor wird mithilfe des so genannten Lorentzfaktors in Abhängigkeit der Geschwindigkeit ermittelt. Höhe und Breite eines Körpers verkürzen sich allerdings nicht.

E=mc2 – aus Energie wird Masse und umgekehrt

Es ist wohl die berühmteste Formel: E=mc2: Energie gleich Masse x Lichtgeschwindigkeit im Quadrat. Sie besagt, dass aus Energie Masse wird und umgekehrt. Im praktischen Alltag begegnet uns die Formel häufig. So wiegt erhitztes Wasser mehr als kaltes Wasser. Dem Wasser wird durch die Herdplatte Hitze zugeführt und damit Energie. Die Masse des Wassers steigt damit an. Masse und Energie sind sozusagen zwei Seiten einer Medaille. Zur Speziellen Relativitätstheorie gehört unter anderem noch die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, die allerdings beobachterunabhängig und absolut ist. Sie addiert sich nicht – wie andere Größen - hinzu, wenn man beispielsweise aus zwei Autos mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten das Licht einschaltet. Nach der SRT sind Massen, Bewegung, Distanzen und Zeit bei gleichmäßiger Bewegung relative Größen. Doch überall in der Natur wirkt die Gravitationskraft, die diese Größen und die damit verbundenen Ereignisse beeinflusst und die SRT eher als Idealtheorie erscheinen lässt.

Allgemeine Relativitätstheorie ART

Einsteins ART dagegen berücksichtigt die Schwerkraft, ihr Einfluss auf Massen, Bewegung, Distanzen und Zeit erweitert die SRT. Beschleunigung oder Schwerkraft – was macht den Unterschied? Beide Kräfte sind physikalisch nicht zu unterscheiden und zeigen die gleichen Effekte – wie zum Beispiel Zeitdehnung oder Lichtablenkung. Dieses "Äquivalenzprinzip" ist maßgebliche Grundlage für die Allgemeine Relativitätstheorie. Uhren laufen langsamer: Je stärker die Anziehungskraft wirkt, desto langsamer vergeht die Zeit. Im Hochgebirge gehen demnach die Uhren schneller als im Flachland. Auch Licht wird abgelenkt: Große Massen wie die Sonne lenken durch ihre Schwerkraft die Bahn des Lichts ab. Diese Vorhersage durch Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie machte den Physiker weltberühmt, auch weil sie am 29. Mai 1929 durch eine Sonnenfinsternis nachgewiesen wurde. Materie krümmt den Raum: Laut Einstein ist Schwerkraft nichts anderes als die Krümmung des Raums. Ein passendes und bildhaftes Beispiel ist eine Kugel auf einer weichen Unterlage, die von der Masse der Kugel eingedrückt wird. Alle Himmelskörper lenken daher nicht nur Licht ab, sondern krümmen auch den Raum im All.

Einstein hat in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie auch die Vorhersage gemacht, dass Licht in der Umgebung von Schwarzen Löchern Energie verliert. Das britische Wissenschaftsmagazin "New Scientist" berichtete, dass Forscher der Universität von Maryland den Energieverlust des Lichts in der Nähe von Schwarzen Löchern nachgewiesen haben. "Es ist erstaunlich, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie selbst in so extremen Umgebungen Gültigkeit hat".

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