Relativitätstheorie

Man unterscheidet zwischen der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie. Beide wurden von Albert Einstein 1905 bzw. 1915 entwickelt.

Spezielle Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie geht von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit unabhängig vom Bewegungszustand des Beobachters aus. Experimentell konnten auch bei größter Messgenauigkeit keine Unterschiede festgestellt werden. Sie löst das Problem, indem sie einen absoluten Maßstab für Zeiten und Längen aufgibt. Diese Größen hängen von der Geschwindigkeit eines Beobachters relativ zum beobachteten Objekt ab. (Oft wird von Systemen gesprochen.) Einstein geht von Galileis Relativitätsprinzip aus, nach dem Geschwindigkeiten nur relativ zueinander gemessen werden können. Um dieses Relativitätsprinzip auch mit der elektromagnetischen Theorie Maxwells in Einklang zu bringen, postuliert er jedoch zudem, dass die Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung eines Systems unabhängig sei. Darauf aufbauend zieht er Schlüsse, stellt Gedankenexperimente an und Gleichungen auf. Eine davon ist die berühmte Formel E = mc², die die Äquivalenz von Masse und Energie ausdrückt.

Andere Folgerungen: einem (relativ!) ruhenden Beobachter erscheint die Zeitspanne in einem bewegten System größer (Zeitdilatation, d.h. die Astronauten in einem schnellen Raumschiff altern vom Erd-Bezugssystem aus gesehen langsamer als die Menschen auf der Erde) und die Länge eines bewegten Gegenstandes erscheint ihm in Bewegungsrichtung verkürzt. Somit sind Zeit und Raum relative Begriffe. Die Masse eines Körpers hängt von seiner Geschwindigkeit ab, sie nimmt mit steigender Geschwindigkeit hyperbolisch zu. Die klassische Masse wird damit zur Ruhemasse. Ein Körper kann aufgrund von Längenkontraktion und Zeitdilatation nicht über die Lichtgeschwindigkeit hinaus beschleunigt werden.

Mathematische Grundlage der speziellen Relativitätstheorie ist die Lorentz-Transformation. Vor Einstein hatten schon Henri Poincaré und Hendrik Antoon Lorentz mathematische Theorien aufgestellt. Ihre Überlegungen gingen aber hinsichtlich der Konsequenzen auf das physikalische Weltbild nicht so weit wie diejenigen Einsteins.

Näheres siehe unter spezielle Relativitätstheorie.

Allgemeine Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie heißt speziell, da sie sich nur mit gleichförmig zueinander bewegten (zueinander beschleunigungslosen) Bezugssystemen (so genannte Inertialsysteme) beschäftigt. Diese Einschränkung wird in der allgemeinen Relativitätstheorie aufgehoben. Sie beruht auf der Annahme der Gleichwertigkeit von träger und schwerer Masse. Die träge Masse bezieht sich auf die Kraft, die bei gegebener Beschleunigung wirkt (F=ma). Die schwere Masse bezeichnet die von jeder Masse ausgehende Gravitationsanziehung. Diese eigentlich voneinander unabhängigen physikalischen Phänomene werden auf eine gemeinsame Ursache zurückgeführt, der Beschreibung der Gravitation als Verformung der Raum-Zeit durch Massen.

Schon 1919 wurde die Überlegenheit der allgemeinen Relativitätstheorie über die bis dahin als korrekt angesehene Newtonsche Gravitationstheorie beobachtet. Arthur Stanley Eddington organisierte eine Expedition, die bei einer Sonnenfinsternis die scheinbare Verschiebung von Sternen nahe der Sonne feststellte. Dennoch blieb diese Theorie lange umstritten, bis weitere Voraussagen der Theorie experimentell bestätigt wurden.

Eine Voraussage der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass das Universum nicht stabil sein kann, sondern entweder expandieren oder kontrahieren muss. Zur Vermeidung dieser Folgerung hatte Einstein die kosmologische Konstante in die Theorie eingefügt, die ein stabiles Universum garantieren sollte. (In einem solchen Universum müsste die Massenverteilung allerdings extrem genau ausbalanciert sein, da sich jede Dichtefluktuation automatisch verstärken und die zugehörige Region dann doch expandiern oder kollabieren würde). Als dann die Expansion des Universums beobachtet wurde, nahm Einstein diese Konstante wieder aus der Theorie heraus und bezeichnete sie als "die größte Eselei meines Lebens". Heutige Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass die kosmologische Konstante dennoch existiert, wenngleich sie einen anderen Wert hat als für ein stabiles Universum nötig wäre.

Eine weitere Voraussage der allgemeinen Relativitätstheorie sind Schwarze Löcher. Auch an diese mochte Einstein nicht glauben, und er meinte, es müsse einen Mechanismus geben, der die Entstehung solcher Objekte verhindert. Heutige Beobachtungen legen aber nahe, dass es solche schwarzen Löcher tatsächlich im Weltall gibt.

Im Dritten Reich galt die Relativitätstheorie wegen Einsteins jüdischer Abstammung als "jüdische Physik" und wurde daher abgelehnt.

Viele Voraussagen, z.B. die oben genannte Zeitdilatation, konnten inzwischen experimentell bestätigt werden.

Literatur

• A. Einstein, L. Infeld: Die Evolution der Physik, 1950 (Rowohlt 1987), ISBN 3499183420