Das Raum-Zeit-Kontinuum

Newtons Vorstellungen von Raum und Zeit

• Im alltäglichen Verständnis sind Raum und Zeit zwei ganz verschiedene Dinge. Die Zeit fließt oder verstreicht gleichmäßig, der Raum ist statisch.
• Diese mehr intuitive Sicht entspricht auch der Raumvorstellung, die von Isaac Newton entwickelt wurde. Sie ist heute als klassische Physik bekannt. Für Newton war die Zeit universell, absolut und ließ sich - bildlich gesprochen - von nichts erschüttern.
• So war auch die Zeitspanne zwischen zwei Ereignissen in allen Bezugssystemen dieselbe. Sein berühmter Apfel fiel vom Baum und die Zeit, die er bis zum Boden benötigte, war dieselbe, ob sie nun unbewegt unter dem Baum lagen oder sich mit großer Geschwindigkeit an diesem vorbeibewegten.
• Allerdings hängt die Bahn, die der Apfel beim Fallen beschreibt, durchaus vom Beobachter ab. Bewegen Sie sich am Baum vorbei, ist die Bahn eine Parabel. Sind Sie im Bezug auf den Baum in Ruhe, so erhalten Sie eine nach unten gerichtete Gerade.

Raum-Zeit-Kontinuum in der Speziellen Relativitätstheorie

• In den ersten Jahren des 20.Jahrhunderts musste Albert Einstein eine enge Verbindung zwischen Raum und Zeit postulieren. Ausgangspunkt war die, bis heute in der Wissenschaft unbestrittene, Endlichkeit und Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Grob gesagt: Schnellere Bewegungen als Licht gibt es nicht. Einstein bemerkte in seinen daraus abgeleiteten Gleichungen, dass sich Raum und Zeit nicht unter allen Umständen trennen lassen.
• Wechseln Sie beispielsweise zwischen zwei Bezugssystemen, die sich geradlinig und gleichförmig zueinander bewegen, so kann es passieren, dass sich Zeitgrößen in Raumpunkte transformieren - und umgekehrt.
• Sie können Zeit nicht mehr absolut und unabhängig vom Raum sehen, sondern diese ist mit dem Raum verwoben oder vermischt. Zeit hängt von der Bewegung des Körpers ab, den Sie beobachten. Man spricht von einem Raum-Zeit-Kontinuum, in dem sich Körper auf Weltlinien räumlich und zeitlich bewegen.
• Beachten Sie, dass es sich bei der Bewegung in dieser Raumzeit um einen vierdimensionalen Raum handelt. Drei Koordinaten benötigen Sie für den Raum und eine (gleichwertige) Koordinate ist für die Zeit erforderlich. Zu Ehren des Mathematikers und Physikers Hermann Minkowski, der sich mit den mathematischen Eigenschaften dieses Raum-Zeit-Kontinuums befasste, wird er auch Minkowski-Raum genannt.
• Dieser Umstand hat praktische (und experimentell bewiesene) Konsequenzen. Wenn sich Uhren mit hoher Geschwindigkeit im Raum bewegen, verlangsamt sich ihr Gang (Zeitdilatation). Dieser Sachverhalt wurde erstmals bei instabilen Elementarteilchen, den Myonen, beobachtet. Entsprechend erscheinen schnell bewegte Gegenstände verkürzt (Längenkontraktion).
• Beim Übergang von einem Bezugssystem zu einem anderen verändert sich die Zeit. Sie kehrt sich jedoch nicht um. So behalten also Ereignisse in der Vergangenheit beziehungsweise Zukunft ihre zeitliche Reihenfolge. Zur Umkehrung müssten Sie die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, was nach der speziellen Relativitätstheorie ausgeschlossen ist (aber Spekulationen im Bereich des Science-Fiction zulässt).

Die Raumkrümmung in der Allgemeinen Relativitätstheorie

• In seiner Speziellen Relativitätstheorie behandelte Einstein nur Bezugssysteme, die sich im Verhältnis zueinander geradlinig und gleichförmig bewegen. Dieser Bewegung wollte er jedoch keine Sonderstellung einräumen. So verallgemeinerte er sie im Jahr 1905 zur Allgemeinen Relativitätstheorie. In dieser ließ er auch Bezugssysteme zu, die sich beschleunigt gegeneinander bewegen.
• In dieser Theorie zeigte er, dass die Gravitation keine Kraft darstellt, die zwischen verschiedenen (massebehafteten) Körpern wirkt. Stattdessen handelt es sich um eine Eigenschaft des Raumes. Bekannt ist sein berühmtes Aufzugsexperiment. Die Gravitation sorgt dafür, dass sich das Raum-Zeit-Kontinuum verformt, also eine Raumkrümmung erfährt. Sie könnten von einer Art Dreiergespann aus Raum, Zeit und Materie sprechen.
• Einsteins Gleichungen zeigen, grob gesprochen, dass die Verteilung der Massen beispielsweise im Weltraum die Struktur der Raum-Zeit bestimmt. Gleichzeitig bestimmt diese Struktur ihrerseits wieder die Bewegungen der sich im Universum befindlichen Objekte.
• Auch die Teilchen des Lichtes, die Photonen, haben eine Masse, die aus ihrer Bewegung resultiert. Entsprechend reagieren Sie auf die Gravitation beziehungsweise folgen der Raumkrümmung. Diesen Umstand können Sie im Spektrum des Lichts entfernter Sterne beobachten.

Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich und konstant, schnellere Bewegungen gibt es nicht. Daraus ergab sich für Einstein die Notwendigkeit, Raum und Zeit zu einem vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum zusammenzufassen. In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie zeigte er zudem, dass diese Raumzeit durch vorhandene Massen eine Krümmung erfährt.