Als die Relativitätstheorie in den frühen 1900er Jahren erschien, stellte sie Jahrhunderte der Wissenschaft auf den Kopf und gab den Physikern ein neues Verständnis von Raum und Zeit. Isaac Newton sah Raum und Zeit als feststehend an, aber in dem neuen Bild, das die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie lieferten, waren sie fließend und formbar.
Wer hat die Relativitätstheorie erfunden?
Albert Einstein. Er veröffentlichte den ersten Teil seiner Theorie – die spezielle Relativitätstheorie – 1905 in der Zeitschrift Annalen der Physik und vollendete seine Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie erst nach einem weiteren Jahrzehnt mühsamer Arbeit. Letztere stellte er Ende 1915 in einer Vortragsreihe in Berlin vor und veröffentlichte sie 1916 in den Annalen.
Was ist die spezielle Relativitätstheorie?
Die Theorie basiert auf zwei Schlüsselkonzepten.
- Erstens erlaubt die natürliche Welt keine „privilegierten“ Bezugsrahmen. Solange sich ein Objekt auf einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit (also ohne Beschleunigung) bewegt, sind die physikalischen Gesetze für alle gleich. Es ist ein bisschen so, wie wenn Sie aus einem Zugfenster schauen und sehen, dass sich ein benachbarter Zug zu bewegen scheint – aber bewegt er sich, oder Sie? Es kann schwer zu sagen sein. Einstein erkannte, dass es buchstäblich unmöglich ist, zu sagen, ob die Bewegung vollkommen gleichförmig ist – und identifizierte dies als ein zentrales Prinzip der Physik.
- Zweitens bewegt sich Licht mit einer unveränderlichen Geschwindigkeit von 186.000 Meilen pro Sekunde. Egal, wie schnell sich ein Beobachter bewegt oder wie schnell sich ein Licht aussendendes Objekt bewegt, eine Messung der Lichtgeschwindigkeit ergibt immer das gleiche Ergebnis.
Ausgehend von diesen beiden Postulaten zeigte Einstein, dass Raum und Zeit auf eine Weise miteinander verwoben sind, die Wissenschaftler zuvor nicht erkannt hatten. Durch eine Reihe von Gedankenexperimenten zeigte Einstein, dass die Konsequenzen der Speziellen Relativitätstheorie oft kontraintuitiv sind – sogar verblüffend.
Wenn Sie zum Beispiel in einer Rakete unterwegs sind und einen Freund in einer identischen, aber langsamer fliegenden Rakete überholen, werden Sie sehen, dass die Uhr Ihres Freundes langsamer tickt als Ihre (Physiker nennen das „Zeitdilatation“).
Die Rakete Ihres Freundes erscheint zudem kürzer als Ihre eigene. Wenn Ihre Rakete schneller wird, nehmen Ihre Masse und die der Rakete zu. Je schneller Sie werden, desto schwerer werden die Dinge und desto mehr wird Ihre Rakete Ihren Bemühungen, sie schneller zu machen, widerstehen. Einstein zeigte, dass nichts, was eine Masse hat, jemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen kann.
Eine weitere Konsequenz der Speziellen Relativitätstheorie ist, dass Materie und Energie über die berühmte Gleichung E = mc² austauschbar sind (wobei E für Energie, m für Masse und c² die Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit sich selbst steht). Da die Lichtgeschwindigkeit eine so große Zahl ist, entspricht selbst eine winzige Menge an Masse einer sehr großen Menge an Energie – und kann in diese umgewandelt werden. Das ist der Grund, warum Atom- und Wasserstoffbomben so mächtig sind.
Was ist die allgemeine Relativitätstheorie?
Im Wesentlichen handelt es sich um eine Theorie der Gravitation. Die Grundidee ist, dass die Schwerkraft nicht eine unsichtbare Kraft ist, die Objekte zueinander anzieht, sondern eine Krümmung oder Verformung des Raums. Je massiver ein Objekt ist, desto mehr krümmt es den Raum um sich herum.
Die Sonne ist zum Beispiel massiv genug, um den Raum in unserem Sonnensystem zu krümmen – ähnlich wie ein schwerer Ball, der auf einer Gummiplatte liegt, die Platte krümmt. Infolgedessen bewegen sich die Erde und die anderen Planeten auf gekrümmten Bahnen (Orbits) um sie.
Diese Verformung wirkt sich auch auf die Messung der Zeit aus. Wir neigen dazu, uns die Zeit als gleichmäßig tickend vorzustellen. Aber genauso wie die Schwerkraft den Raum dehnen oder verzerren kann, kann sie auch die Zeit dehnen. Wenn Ihr Freund auf den Gipfel eines Berges klettert, wird seine Uhr schneller ticken als Ihre, während die Uhr eines anderen Freundes, der sich in einem Tal befindet, langsamer tickt, weil die Schwerkraft an jedem Ort unterschiedlich stark ist. Spätere Experimente bewiesen, dass dies tatsächlich passiert.
Wie sieht die Relativitätstheorie „unter der Haube“ aus?
Die spezielle Relativitätstheorie ist letztlich eine Reihe von Gleichungen, die die Art und Weise, wie die Dinge in einem Bezugssystem aussehen, mit der Art und Weise, wie sie in einem anderen Bezugssystem aussehen, in Beziehung setzen – die Ausdehnung von Zeit und Raum und die Zunahme der Masse. Die Gleichungen sind nicht komplizierter als Schulmathematik.
Die allgemeine Relativitätstheorie ist komplizierter. Ihre „Feldgleichungen“ beschreiben die Beziehung zwischen Masse, Raumkrümmung und Zeitdilatation und werden typischerweise in Physikkursen auf Graduiertenebene gelehrt.
Tests der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie
Im Laufe des letzten Jahrhunderts haben viele Experimente die Gültigkeit sowohl der Speziellen als auch der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigt. Im ersten großen Test der allgemeinen Relativitätstheorie maßen Astronomen 1919 die Ablenkung des Lichts entfernter Sterne beim Vorbeiflug an unserer Sonne und bewiesen damit, dass die Schwerkraft tatsächlich den Raum verzerrt oder krümmt.
Im Jahr 1971 testeten Wissenschaftler beide Teile der Einsteinschen Theorie, indem sie exakt synchronisierte Atomuhren in Flugzeuge einbauten und diese um die Welt flogen. Eine Überprüfung der Uhren nach der Landung der Flugzeuge zeigte, dass die Uhren an Bord der Flugzeuge ein winziges bisschen langsamer liefen (weniger als eine Millionstelsekunde) als die Uhren am Boden.
Die Diskrepanz resultierte aus der Geschwindigkeit der Flugzeuge (ein Effekt der speziellen Relativitätstheorie) und ihrer größeren Entfernung vom Zentrum des Gravitationsfeldes der Erde (ein Effekt der allgemeinen Relativitätstheorie).
Im Jahr 2016 war die Entdeckung von Gravitationswellen – subtile Wellen im Gewebe der Raumzeit – eine weitere Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie.
Relativität in der Praxis
Während die Ideen hinter der Relativitätstheorie esoterisch anmuten, hat die Theorie einen enormen Einfluss auf die moderne Welt.
Kernkraftwerke und Atomwaffen wären zum Beispiel ohne das Wissen, dass Materie in Energie umgewandelt werden kann, unmöglich. Und unser GPS-Satellitennetzwerk (Global Positioning System) muss die subtilen Effekte der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigen; sonst würden die Ergebnisse um mehrere Meilen daneben liegen.
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