Es geht bei der Relativitätstheorie im Wesentlichen um das Erleben zweier Objekte, die sich relativ zueinander bewegen, daher der Name: Relativitätstheorie. Die Effekte der Relativitätstheorie treten erst bei hohen Geschwindigkeiten auf, bei Geschwindigkeiten, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind: Die Zeit verlängert sich, Maßstäbe verkürzen sich und die Masse des bewegten Objektes nimmt zu. Dies wird in der „speziellen Relativitätstheorie“ beschrieben. Die zweite Möglichkeit: sie treten in der Anwesenheit großer Massen auf. Dies wird in der „allgemeinen Relativitätstheorie“ beschrieben.

Zusätzlich gilt: E=mc2, und das bedeutet: Energie ist der Masse „äquivalent“. Energie kann in Masse umgewandelt werden, und umgekehrt. Das ist der sogenannte „Massendefekt“. Wenn leichte Atomkerne fusionieren (Wasserstoff zu Helium), ist das Endprodukt etwas leichter, ein Teil der Masse wurde in Energie umgewandelt und wurde frei. Oder wenn schwere Atomkerne zerfallen – ein Teil der Masse wurde zu Energie umgewandelt, die Endprodukte sind etwas leichter als alle Zutaten.

Wie ist es dazu gekommen?

Bevor es die Relativitätstheorie gab, dachte man, dass Raum und Zeit absolut sind. Sie verändern sich nicht. Man machte sich auf die Suche nach dem „absoluten kosmischen Bahnsteig“, etwas, worauf man seine Geschwindigkeit beziehen kann. Sowie ein Mensch im Zug mit 5 km/h geht. Aber im Vergleich zum Bahnsteig mit 105 km/h, wenn der Zug selbst mit 100 km/h fährt. Man dachte, der „Äther“ wäre so eine geeignete ruhige Sache. Er erfüllt das ganze Universum, ist absolut durchsichtig, weil das Licht durchdringt, und der Träger von Licht ist, das eine sehr hohe Geschwindigkeit hat – deswegen müsste der Äther extrem „zäh“ sein, weil nur so eine Substanz so hohe Geschwindigkeiten ermöglicht. Michelson-Morley machten sich mit einem berühmt gewordenen Experiment auf die Suche nach diesem Äther – und sie wiesen nach, dass es ihn nicht gibt. Es gibt daher keine absolute Geschwindigkeit, nur relative Geschwindigkeiten von Objekten zueinander. Wenn man das fertig denkt, und Einstein tat das, kommt man auf sehr eigenartige Ergebnisse, die eine Änderung des physikalischen Weltbildes nötig machten.

Also: die Voraussetzungen

Die Relativitätstheorie geht davon aus, dass die Lichtgeschwindgkeit immer und überall gleich ist: rund 300.000 km/s. Das ist 7 1/2 mal um die Erde in einer Sekunde. Und zusätzlich etwas Erstaunliches: Egal, ob du eine Taschenlampe von einem schnellen Raumschiff abfeuerst, oder aus einem fahrenden Zug, oder vom Sessel im Zimmer – es hat immer diese Geschwidigkeit. Daraus folgerte Einstein:

Details

Wenn sich ein Reisender relativ zu einem Beobachter bewegt, wird der Beobachter bemerken:

  1. Die Zeit des Reisenden verlängert sich.
  2. Dessen Entfernungen in Flugrichtung verkürzen sich.
  3. Die Masse des Reisenden nimmt zu.
  4. Die „Gleichzeitigkeit“ ist auch nicht mehr ganz klar. Was ist gleichzeitig, wo doch Licht eine Zeit braucht, um sich durch das Universum zu bewegen?

Dies sind die Effekte der “speziellen Relativitätstheorie”. Sie beschreibt das Verhalten von Raum und Zeit aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen, und die damit verbundenen Phänomene.

Darauf aufbauend führt die „allgemeine Relativitätstheorie“ die Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück. Sie wird durch die beteiligten Massen verursacht. So wie eine Billardkugel eine Gummimatte nach unten durchdrückt, so verändern Massen im Universum die Raum-Zeit (ein Gefüge, das als „Gummimatte“ gedacht werden kann).

Möchten Sie das anschaulich sehen?

Die Relativitätstheorie befasst sich also mit der Struktur von Raum und Zeit und dem Wesen der Gravitation. Zum ersten Mal wird der Raum und die Zeit nicht als etwas Festes, sondern als etwas Veränderbares angesehen.

Einstein veröffentlichte 1905 die speziellen Relativitätstheorie und 1916 die allgemeinen Relativitätstheorie. Seine Theorien waren nicht mehr anschaulich verständlich, sondern brauchten ein gehörig Mass an Mathematik, um sie ansatzweise nachzuvollziehen.

Und wer sagt, dass das alles stimmt?

Einerseits Atomuhren. Sie gehen sehr genau. Zwei davon stellt man nebeneinander und synchronisiert sie. Dann fliegt eine von ihnen mit einem Flugzeug lange herum. Dann vergleicht man beide wieder – und durch die Bewegung ist die geflogene etwas „jünger“, ihr fehlen ein paar millionstel Sekunden.

Andererseits Teilchenbeschleuniger. Sie werden gebaut, um Elementarteilchen zu beschleunigen, auf Geschwindigkeiten annähernd der Lichtgeschwindigkeit. Ihre Masse nimmt dann nach Einsteins Relativitätstheorie zu. Die Anlagen müssen entsprechend gebaut werden, sonst knallen die Dinger an die Wand.

Und Myonen: das sind Elementarteilchen, die in der oberen Atmosphäre durch den Zusammenstoß von kosmischer Strahlung mit Luftteilchen entstehen. Ihre Halbwertszeit ist sehr gering, eigentlich sollten sie es in dieser zeit nicht schaffen, die 20 km zuM Erdboden zurückzulegen. Und doch werden sie gemessen. Zwei Argumente gibt es dafür – das erste aus Sicht der Myonen: „Unsere Zeit vergeht viel langsamer, weil wir so schnell sind, daher schaffen wir es in der verlängerten Zeit den Erdboden zu erreichen“. Oder aus Sicht von uns Beobachtern: „Dadurch dass die Myonen so schnell sind, schrumpft die Wegstrecke, die sie fliegen müssen, um den Erdbeben zu erreichen. In ihrer kurzen Halbwertszeit schaffen sie die kurze Strecke gut.“ Hier ist ein Video von Harald Lesch davon.

Und dann noch: die Sonne. Sie „erzeugt“ ihre Energie mit der Energie-Masse-Äquivalenz. Sie wandelt pro Sekunde eine Menge Materie in Energie um und strahlt dadurch.

Ach ja: das Zwillingsparadoxon sagt, dass Zwillinge – bei der Geburt getrennt – unterschiedlich alt sind, wenn einer von ihnen durch das Universum fliegt und sich die beiden dann irgendwann wieder sehen. Das ist ein Gedankenexperiment – analog zur Sache mit den beiden Uhren, von denen man eine fliegen lässt.


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Foto: Einstein 1921 by F Schmutzer – restoration / Wikipedia