Was ist die Relativitätstheorie?

Vor der Entstehung der Relativitätstheorie dachte man, Licht als Welle benötige zur Ausbreitung ein Medium, das als Äther bezeichnet wurde. Darüber hinaus schien die Theorie zur Beschreibung von Lichtphänomenen eine andere Form anzunehmen, wenn man davon ausging, dass sich Beobachter mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ zum Äther bewegten. 1887 führten die amerikanischen Physiker Albert Michelson und Edward Morley ein Experiment durch, um die Geschwindigkeit der Erdbewegung relativ zum Äther zu messen. Das Ergebnis zeigte, dass sich Licht auf der Erdoberfläche in alle Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitete, was die Existenz des Äthers an sich in Frage stellte. Dieses Experiment verblüffte die wissenschaftliche Gemeinschaft, bis Einstein 1905 die spezielle Relativitätstheorie entwickelte, die auf zwei Postulaten zur Invarianz physikalischer Gesetze basiert – d. h. darauf, dass die Natur unabhängig vom Beobachter immer gleich beschrieben wird.

Das erste Postulat bzw. Relativitätsprinzip besagt, dass die physikalischen Gesetze (die Gravitation einmal ausgenommen) mit denen von Trägheitsbeobachtern, also von Beobachtern mit konstanter Relativgeschwindigkeit, übereinstimmen. Obwohl die Gültigkeit der Newtonschen Gesetze für verschiedene Beobachter dieser Art bekannt war, könnte dieser Äther, sofern Licht zur Ausbreitung ein Medium benötigt, als absolutes Referenzsystem betrachtet werden. Lichtphänomene könnten es uns ermöglichen, die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Trägheitsbeobachters relativ zum Äther zu bestimmen.

Angesichts der Tatsache, dass der Äther überflüssig geworden war, schlussfolgerte Einstein, dass die Gesetze des Elektromagnetismus (die das Licht beschreiben) auch für alle Beobachter gelten müssten. Darüber hinaus besagt das zweite Postulat, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum der von jedem Trägheitsbeobachter gemessenen Geschwindigkeit entspricht. Dies impliziert, dass es für einen Trägheitsbeobachter unmöglich ist, sich mit dieser Geschwindigkeit zu bewegen. Würde sich ein Raumschiff relativ zu einem anderen Beobachter mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und einen Lichtimpuls mit einem Laser in die gleiche Bewegungsrichtung aussenden, würde der Beobachter sehen, dass das Raumschiff und das Licht an der gleichen Stelle bleiben und sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen. Vom Raumschiff aus würde er jedoch sehen, dass sich das Licht von ihm wegbewegt, was einen Widerspruch darstellt.

Die Kombination dieser Postulate führt zu einigen kontraintuitiven Ergebnissen. Zwei Ereignisse, die für einen Beobachter gleichzeitig ablaufen, sind für einen anderen, sich relativ zu ihm bewegenden Beobachter nicht gleichzeitig, weil sich die zwischen den Ereignissen verstrichene Zeit ausdehnt, wenn sie von einem sich relativ zu einem anderen Beobachter, für den sie am gleichen Ort stattfinden, betrachtet werden, während sich die Länge von Objekten zusammenzieht, wenn sie von einem sich relativ zu dem Objekt bewegenden Beobachter betrachtet werden. Natürlich sind diese Effekte vernachlässigbar, wenn die beteiligten Geschwindigkeiten viel niedriger sind als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts, aber sie verändern unser Verständnis von Raum und Zeit radikal. Obwohl räumliche und zeitliche Intervalle je nach dem, wer sie misst, unterschiedliche Werte annehmen können, lässt sich ein Raum-Zeit-Intervall definieren, das für alle Beobachter gleich ist. Die Physik findet in der Raum-Zeit statt, die wir durch diese Intervalle definieren, und dies hat tiefgreifende Auswirkungen.

Aber findet die gesamte Physik in der Raumzeit statt? Die spezielle Relativitätstheorie war mit der Newtonschen Beschreibung der Gravitation nicht vereinbar. Der große konzeptionelle Sprung der Allgemeinen Relativitätstheorie , die Einstein 1915 formulierte , bestand in der Erkenntnis, dass die Gravitation kein durch eine andere in der Raumzeit enthaltene Kraft vermitteltes Phänomen ist, sondern genau auf die Krümmung der Raumzeit zurückzuführen ist, die durch die in ihr enthaltenen Massen erzeugt wird. Die Raumzeit wird von einer inerten Struktur, in der Physik stattfindet, zu einer physikalischen Größe an sich.

Die Prinzipien der Allgemeinen Relativitätstheorie sind das allgemeine Kovarianzprinzip und das Äquivalenzprinzip. Kovarianzprinzip verallgemeinert das Relativitätsprinzip, da es die Gleichwertigkeit der physikalischen Gesetze für alle Beobachter und bei Vorhandensein von Schwerkraft berücksichtigt. Das Äquivalenzprinzip wurde in der Newtonschen Physik eingeführt und legt die Gleichwertigkeit von träger Masse, die den Widerstand eines Objekts gegen eine Änderung seiner Bewegung misst, und schwerer Masse, die beschreibt, wie ein Körper das Gravitationsfeld erfährt, fest. Diese Beziehung ist eine Folge der Universalität des freien Falls, d. h., dass alle Körper bei Vorhandensein von Schwerkraft und Abwesenheit anderer Kräfte gleichmäßig beschleunigen.

Einstein ging jedoch noch weiter und überlegte, dass die Physik in einem Labor mit gleichmäßiger Beschleunigung und ohne Schwerkraft dieselbe sein sollte wie in einem anderen Labor mit gleichmäßigem Gravitationsfeld. Dieser Überlegung folgend, kann man versuchen, Gravitationsphänomene anhand der Größen zu verstehen, die zur Beschreibung von Bewegungen im Raum verwendet werden. Dies legt ein Verständnis der Gravitation als geometrisches Phänomen nahe.

Das Äquivalenzprinzip im relativistischen Rahmen hat mehrere Formulierungen. Das sogenannte Einsteinsche Äquivalenzprinzip besagt, dass nicht-gravitative physikalische Phänomene (und solche mit vernachlässigbaren Auswirkungen auf die Raumzeit) in einem kleinen Raumbereich und an keinem Punkt darin durch die Anwesenheit eines Gravitationsfeldes beeinflusst werden.

Dies bedeutet, dass an jedem Punkt im Raum und zu jeder Zeit innerhalb eines ausreichend kleinen Bereichs die durch die spezielle Relativitätstheorie gegebene Beschreibung der Natur wiederhergestellt werden kann. Somit verallgemeinert die allgemeine Relativitätstheorie die spezielle Relativitätstheorie in Gegenwart der Schwerkraft.

Prado Martín Moruno ist promovierter Physiker und Forscher und Professor am Institut für Theoretische Physik der Universität Complutense Madrid .

Koordination und Text: Victoria Toro .

Frage gestellt von José Ortega Carrascal .

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