Die Relativitätstheorie wurde
1905 zuerst als spezielle und dann 1916 als allgemeine
Relativitätstheorie von Albert Einstein
entwickelt.
Spezielle
Relativitätstheorie:
Schon im 19. Jahrhundert hatte A. A.
Michelson durch ein Experiment herausgefunden, dass die Geschwindigkeit
des Lichts unabhängig von der Erdbewegung ist. Z.B. bewegt sich
ein Shuttle, dass von der Erde
gestartet ist und in eine Umlaufbahn übergegangen ist mit der gleichen
Geschwindigkeit um die Sonne wie die Erde (30
km/s). Bei Licht ist das anders. Wenn ein
Photon (Lichtteilchen) mit 299792 km/s (Lichtgeschwindigkeit) in
Flugrichtung davon fliegt, besitzt es nicht etwa eine
Geschwindigkeit von 299762 km/s, sondern immer noch die 299792 km/s. Das
bedeutet also, dass sich das Licht unabhängig von der Bewegung eines
Körpers bewegt.
Das ruft auch den Effekt der Rotverschiebung
(auch Doppler-Effekt) hervor:
Dieses Phänomen kennen wir alle. Beispiel: Ein Krankenwagen fährt einem
mit Blaulicht und Sirene entgegen. Der Ton erscheint hoch. Sobald er aber
vorbeifährt, wird der Ton immer tiefer. Das gleiche gilt für das Licht.
Je weiter sich ein Körper von einem wegbewegt, desto weiter nach rot
verschiebt sich sein Spektrum. Wenn ein Körper sich auf einen zu bewegt
wird sein Spektrum nach blau verschoben. Dies
ist besonders deutlich bei weit entfernten Galaxien
zu erkennen.
Nach weiteren Überlegungen ergibt sich,
dass Zeit sich dehnt, Masse
sich vergrößert, Weg
jedoch schrumpft, sobald ein Körper sich annähernd mit c
(=Lichtgeschwindigkeit) bewegt.
Die
Zeit dehnt sich, um so schneller sich der
Körper bewegt und zwar exponentiell. D.h., am Anfang ist das
Längerwerden der Zeit kaum bemerkbar, und auch bei 1/2 c beträgt die
Zeitdehnung erst 1,16 des "normalen Ruhezustands". Jedoch ist
bei 0,99 c die Verlängerung der Zeit mit dem Wert 7,03 schon beachtlich
gestiegen. Das würde heißen, ein Beobachter, der außerhalb (für ihn
ein Ruhepunkt) eines so schnellen Raumschiffes stünde, würde den
Raumfahrer alles sehr langsam machen sehen. Der Astronaut würde wiederum
diesen Menschen für sehr hektisch halten, da er alles etwa 7 mal
schneller machen würde. Man nennt diesen Effekt auch Zeitdilatation.
Bei einer Geschwindigkeit von c wäre die Zeitdehndung unendlich und ist
somit unmöglich.
Hier gibt es ein schönes Beispiel, das Zwillings-Paradoxon
genannt wird:
Wenn ein Zwillingsbruder in eine Rakete stiege und 15 Jahre lang auf
beinahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigen würde, wäre der zu Hause
gebliebene Bruder, bei dessen Ankunft 80 Jahre älter, der Raumfahrer nur
15 Jahre.
Der Weg wird
bei hoher Geschwindigkeit kürzer. Die Länge sinkt bei einem sich mit
fast c bewegenden Raumfahrzeug im gleichen Maße, wie die Zeit sich dehnt.
Die Masse eines
Körpers steigt, sobald sich ein Körper schneller bewegt. D.h., eine sich
mit fast c bewegende Rakete hat auch eine sehr hohe Masse und ist somit
auch nur mit höherem Kraftaufwand zu beschleunigen.
Dies ist auch die Antwort auf die Frage, warum c die Grenzgeschwindigkeit
im Universum ist. c kann nicht erreicht werden, da ein Körper, der sich
mit 0,9999999999 c bewegen würde, schon fast eine unendliche Masse hätte
und deshalb nicht mehr beschleunigt werden könnte.
Eine weitere Überlegung Einsteins war es,
das Energie zur Masse
äquivalent ist (gleichwertig). Dies schrieb Einstein in der bekannte
Formel:
E = mc²
E steht für Energie und m für Masse. c²
ist die Lichtgeschwindigkeit hoch 2 (= 90000000000 m/s ²). Daraus erkennt
man, dass schon wenig Masse einem großen Ausmaß an Energie entspricht.
Dies wird besonders deutlich bei der Atom- oder Wasserstoffbombe, aber
auch bei unserer Sonne.
Allgemeine
Relativitätstheorie:
Die spezielle Relativitätstheorie war aber
allein auf Aussagen über sich gleichförmig bewegende Körper
beschränkt. 1916 gelang Einstein aber die Ausweitung der Theorie auf sich
beschleunigende Objekte. Dabei kam er zu
einer verblüffenden Feststellung: Er fand heraus, dass ein Mensch nicht
feststellen kann, ob er beschleunigt oder von der Gravitation angezogen
wird, wenn er in einem abgeschlossenen Raum sitzt. D.h. also, dass auch
eine Äquivalenz zwischen
Beschleunigung und Anziehung besteht.
Einstein folgerte daraus, dass Gravitation
nicht irgendeine Kraft ist, sondern vielmehr eine Delle im Raum erzeugt.
Dies muss man sich in etwa so vorstellen: Man
spannt ein Gummituch über ein Holzgespann, ähnlich wie bei einer
Trommel. Dies soll unserem Weltraum entsprechen. Nun nimmt man eine
Eisenkugel und legt sie auf das Tuch. Es wird eine Delle
gebildet. Wenn nun eine zweite kleinere Kugel in die Nähe rollt wird sie
von der Größeren eingefangen. Natürlich
ist dies ein stark vereinfachtes Modell. Aber so in etwa muss man sich den
Effekt der Raumkrümmung vorstellen. So
bildet jede Masse eine mehr oder weniger große Delle in unseren Weltraum,
abhängig von der Größe der Masse.
Zum Beispiel wird jeder Körper und jede
Energie (auch Licht!) von der Sonne aus der Bahn
gebracht. So wurden bei Sonnenfinsternissen Sterne
beobachtet, die eigentlich hinter der Sonne hätten liegen müssten. Aber
durch die Krümmung des Lichtstrahls waren die Sterne zu sehen.
Die Gesamtheit aller Massen im Universum
krümmt den Raum so stark, dass er eine abgeschlossene Blase
bildet.
Dies ist natürlich eine sehr knappe
Darstellung einer sehr komplizierten Theorie, die nur wenige Menschen
wirklich verstanden haben. |