Wissenschaft und Bildung

Am 30. Juni 1905 vollendete Albert Einstein seine Spezielle Relativitätstheorie. Zehn Jahre danach folgte die Allgemeine Relativitätstheorie. Diese beiden Arbeiten revolutionierten die Physik und revidierten die Vorstellungen von Zeit und Raum. Die Gesetze dieser modernen Naturbeschreibung bilden die physikalische Grundlage der Atom- und Wasserstoffbomben sowie der Kernkraftwerke. Doch auch die Navigationsgeräte in Autos würden ohne die Relativitätstheorie nicht funktionieren.

Einsteins bahnbrechende Entdeckung kam nicht aus heiterem Himmel. In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts hatte das damalige, scheinbar fest gefügte Gebäude der Physik einige Risse bekommen. Die Wissenschaftler ignorierten die Probleme entweder oder sie griffen zu notdürftigen Erklärungsversuchen.

Insbesondere gab es experimentelle Hinweise darauf, dass sich Licht nicht nach den klassischen Regeln der Physik ausbreitet. Nach der klassischen Physik addieren sich Geschwindigkeiten, wie ein einfaches Beispiel demonstriert. Fährt ein Auto mit 120 km/h auf der Autobahn und überholt einen 90 km/h schnellen LKW, so wird eine Radarkontrolle am Straßenrand diese beiden Geschwindigkeiten messen. Aus der Sicht des PKW-Fahrers aber fährt er relativ zum LKW nur mit 30 km/h. Gleichzeitig würde ein mit 90 km/h entgegen kommender LKW vom PKW aus gemessen mit 210 km/h auf ihn zukommen. Die Geschwindigkeiten werden also je nach Fahrtrichtung einfach subtrahiert oder addiert. Aus physikalischer Sicht sind alle diese Messsysteme gleichberechtigt.

Die berühmteste Formel der Welt

Einstein fand heraus, dass dieses einfache Gesetz nur annähernd richtig ist. Nach der Speziellen Relativitätstheorie berechnen sich die Relativgeschwindigkeiten nach einer komplizierteren Formel, wobei die Abweichungen vom klassischen Fall mit zunehmender Geschwindigkeit immer größer werden. Bei Erreichen der Lichtgeschwindigkeit tritt eine seltsame Konsequenz ein: Egal, wie schnell und aus welcher Richtung man sich einem Lichtstrahl nähert, er bewegt sich zu uns immer mit derselben Geschwindigkeit von 300.000 km/s.

Mit dieser Theorie löste Einstein viele der damaligen Probleme auf einen Streich. Setzt man sie konsequent fort, so bekommen Zeit und Raum völlig neue Eigenschaften. Die vielleicht bekannteste Konsequenz ist die so genannte Zeitdilatation, wonach die Zeit beispielsweise in einem schnellen Raumschiff langsamer vergeht als auf der Erde. Experimente bestätigen heute diesen Effekt bis auf ein zehntausendstel Prozent genau.

Eine andere Folge aus der Speziellen Relativitätstheorie ist die Äquivalenz von Masse m und Energie E, die sich in der wohl berühmtesten Formel aller Zeiten E = mc² äußert. (Der Buchstabe c steht für die Lichtgeschwindigkeit.) Die Formel besagt, dass sich Materie in Energie umformen lässt und umgekehrt. Die gigantische Sprengkraft von Atom- und Wasserstoffbomben beruht darauf ebenso wie die Energieerzeugung in Kernkraftwerken. Auch unsere Sonne leuchtet seit 4,5 Milliarden Jahren, weil sie im Innern Wasserstoff-Atomkerne zu Helium verschmilzt, wobei sich ebenfalls ein Bruchteil der Materie in Energie umwandelt.

Gekrümmter Raum und gedehnte Zeit

Im Jahre 1915 dehnte Einstein seine Spezielle Relativitätstheorie, die sich nur auf Körper mit konstanter Geschwindigkeit bezieht, auf beschleunigte Objekte aus. Dreh- und Angelpunkt seiner Überlegungen war die Behauptung, dass sich die Schwerkraft und eine Beschleunigung grundsätzlich nicht unterscheiden: Hierzu stelle man sich einen Menschen vor, der im Innern eines rundum geschlossenen Kastens steht. Er kann nicht entscheiden, ob der Kasten auf dem Erdboden ruht und die Schwerkraft ihn nach unten zieht, oder ob der Kasten eine Aufzugskabine ist, die sich stark beschleunigt nach oben bewegt. Dieses Gedankenexperiment barg für Einstein den Schlüssel zu einer neuen Theorie der Schwerkraft.

Die Früchte jahrelanger harter Arbeit war die Allgemeine Relativitätstheorie, eine neue Beschreibung der Schwerkraft. Sie löste die Newtonsche Theorie ab, die 250 Jahre lang die Physik beherrscht hatte. Nach Einstein krümmt jeder Körper den Raum um sich herum: Je schwerer ein Körper ist und je näher man ihm ist, desto stärker ist die Krümmung. Man kann sich dies an einem straff gespannten Gummituch veranschaulichen, das den Raum darstellen soll. Lässt man eine Eisenkugel darin herumlaufen, so erzeugt sie um sich herum eine Mulde, die sich mit der Kugel mitbewegt. Die Mulde entspricht der Raumkrümmung.

Auch die Zeit ist von dieser seltsamen Eigenschaft betroffen. Sie vergeht um so langsamer, je stärker das Schwerefeld (auch Gravitation genannt) und somit die Raumkrümmung ist. Auch die Vorhersagen dieser Theorie ließen sich insbesondere mit Hilfe astronomischer Beobachtungen vielfach bestätigen.

Kein GPS ohne Einstein

Die Gesetze der Relativitätstheorie kommen im Allgemeinen nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten, wie sie Teilchen in Beschleunigern erreichen, oder extrem großen Massekonzentrationen im Universum, wie Schwarzen Löchern, zum Tragen. Es gibt jedoch eine moderne technische Anwendung, die ohne Einsteins Erkenntnisse undenkbar wäre: das Global Positioning System, kurz GPS. Es basiert auf 24 Satelliten, die in 20.000 Kilometer Höhe die Erde umkreisen und hochgenaue Zeitsignale aussenden. Ein GPS-Empfänger kann aus diesen Signalen den Ort auf der Erde bestimmen.

Nun läuft eine Uhr an Bord des Satelliten wegen der Speziellen Relativitätstheorie etwas langsamer als eine auf der Erde, weil dieser sich ihr gegenüber schneller bewegt. Wegen der Allgemeinen Relativitätstheorie läuft die Satellitenuhr wiederum etwas schneller als die irdische, weil das Schwerefeld in 20.000 Kilometer Höhe geringer ist als am Erdboden. Unter dem Strich geht die Satellitenuhr um etwa vier hunderttausendstel Sekunden pro Tag schneller als ihr Pendant am Boden. Würde man diesen Effekt beim Bau der Uhren nicht berücksichtigt, so würde das GPS mit jedem Tag um jeweils zehn Kilometer weiter vom richtigen Ort abweichen.

Auf diese Weise sorgt Einsteins Theorie des gekrümmten Raumes und der verlangsamten Zeit dafür, dass uns unser Autonavigationsgerät sicher ans Ziel führt.