Relativitätstheorie einfach erklärt

Auch wenn unser menschliches Vorstellungsvermögen nicht ausreicht, die Mathematik gibt Albert Einstein Recht. Die Formel E = mc² beweist die Relativität von Zeit, Raum und Masse.

Die Relativitätstheorie, eine Revolution in der Physik

• 1905 präsentiert Albert Einstein der Welt seine Spezielle Relativitätstheorie: Die Faktoren Raum und Zeit sind keine absoluten Größen.

• Einstein erklärt, die Größen der Geschwindigkeitsformel  Geschwindigkeit = Weg/Zeit stehen in einer Wechselwirkung und sind abhängig von der Position des Betrachters. Beispiel: Ein Düsenjäger hat für den Betrachter am Boden eine wesentlich höhere Geschwindigkeit als für den Passagier eines parallel zum Düsenjäger fliegenden Flugzeugs.

• Den sicheren Beweis für die Relativität der Zeit liefert das Experiment mit einer perfekten Uhr, der Atomuhr, die in ein Flugzeug installiert auf eine mehrstündige Reise geschickt wurde. Während eine zweite Atomuhr auf dem Boden blieb und am Ende des Versuchs schneller als die bewegte Uhr gegangen war.

• Einfach erklärt: Bewegte Uhren gehen langsamer. Diese Zeitdehnung beeinflusst alle Prozesse von bewegten Systemen, auch im menschlichen Körper (Zeitdilation).

• Bei Astronauten im All verlangsamt sich der Alterungsprozess. Allerdings sind bei den niederen Geschwindigkeiten, die derzeitig möglich sind, die Veränderungen nicht bemerkbar. Das wäre erst bei 10 % der Lichtgeschwindigkeit möglich. Das modernste Raumschiff müsste 30 000 Mal schneller fliegen.

• Würde sich ein Shuttle ein Jahr mit Lichtgeschwindigkeit im All bewegen, wären die Erdbewohner bei der Rückkehr der Astronauten um 20 Jahre gealtert (Grundlage für unzählige Sciencefiction-Romane).

• Auch jedes Objekt verändert sich, verkürzt sich in Bewegung, es schrumpft (Längenkontraktion). Voraussetzung dafür ist, dass es sich gleichmäßig und geradlinig bewegt.

Einstein erklärt einfach: c = konstant

• Die unveränderliche Lichtgeschwindigkeit von 299 792 km/s bedeutet für die Geschwindigkeitsformel, dass die Strecke im Raum und die dafür benötigte Zeit dehnbar, also relativ sein müssen.

• Nur das Licht kann diese ungeheure Geschwindigkeit erreichen. Denn es gilt: Je schneller sich ein Gegenstand bewegt, desto mehr Masse (= Energie) hat er. Das bedeutet, beim Beschleunigen nimmt der Körper an Gewicht zu, bis er schließlich so schwer ist, dass ihn selbst die gesamte Energie des Universums nicht mehr beschleunigen könnte.

• Masse ist eine spezielle Form der Energie und wird mit der weltberühmten Formel  E = mc² errechnet.

Relativitätstheorie, keine graue Theorie

• Diese Masse-Energie-Äquivalenz bildet die Grundlage für Atomkraftwerke und Atombomben. Geringe Massen liefern eine hohe Energiemenge. Ein tausendstel Gramm verhält sich äquivalent zu 25 000 Kilowattstunden.

• 1916 erklärt Albert Einstein mit der Allgemeinen Relativitätstheorie die Massenanziehungskraft bzw. Gravitationskraft:

• Zeit und Raum werden nicht einfach nur durch Bewegung verändert, sondern auch durch Materie.

• Einfachheitshalber benutzt Einstein den Begriff „Raumzeit“, ein vierdimensionales Gebilde, das wie die Oberfläche einer Kugel zwar endlich, aber unbegrenzt ist.

• Zur Veranschaulichung: Während der Raum eine elastische Gummimatte darstellt, ist die Masse ein Basketball, der in die Matte eine Delle drückt und so eine „Raumzeitkrümmung“ erzeugt. Jede kleinere Kugel, die in die Nähe der Delle kommt, rollt in die Krümmung.

• Je schwerer die Materie, umso tiefer krümmt sich die Raumzeit und verstärkt sich die Gravitation.

• So funktioniert die Massenanziehung, die Gravitation. Die Planeten um die Sonne werden von der Raumzeitkrümmung in die Umlaufbahn gezwungen.

• Wenn wir zu Boden fallen, gleiten wir in diese Krümmung, die uns stehen lässt.

• Den ersten wissenschaftlichen Nachweis für die Existenz der Raumzeitkrümmung lieferte 1919 A.S. Eddington, der während einer Sonnenfinsternis eine Verschiebung der Sterne nahe der Sonne ausmessen konnte.

• Als größte Leistung Einsteins gilt, unbeirrt die Lichtgeschwindigkeit als konstant  zu betrachten.