Einsteins Erben: Einsteins Spezielle und Allgemeine Relativitaetstheorie

Einsteins Relativitätstheorie verursacht bei vielen Studenten und Hobbytheoretikern heftige Kopfschmerzen. Das mathematische Handwerkszeug der Relativitätstheorie genießt den Ruf abgehobener Unverständlichkeit. Dabei werden die Verständnisschwierigkeiten oft im Hörsaal selbst erzeugt, nämlich dann, wenn der Dozent einen RELATIV unlösbaren Verständnis-Knoten im Kopf hat, oder der Meinung ist, die Relativitätstheorie unnötig theoretisieren zu müssen, bis jede Anschaulichkeit in undurchdringlichem Formelnebel verschwunden ist. Zugegeben, eine Handvoll mathematischer Grundlagen werden schon benötigt.

Spezielle- oder Allgemeine Relativitätstheorie (AR), das ist hier keine Frage! Wie es der Name schon verrät, ist die SR ein Spezialfall der AR. Die AR beschäftigt sich kurz gesagt mit der Gravitation, oder allgemeiner mit beschleunigten Bezugssystemen, die SR hingegen mitInertialsystemen. Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem keine Kräfte wirken, also z.B. die Schwerelosigkeit im All, oder Näherungsweise der unwünschenswerte, aber oft zitierte Freie Fall im Fahrstuhl. Relativität bedeutet u.a., dass der Unglückliche im Fahrstuhl und der Astronaut im Raumschiff nicht sagen können, ob sie sich nun im All oder im Fahrstuhl befinden (sofern sie ihre Augen geschlossen haben). Ebenso kann eine Experimentator, oder wer auch immer, nicht zwischen der Schwerkraft und Trägheitskraft unterscheiden. Also, beschleunigt die Rakete unseres Astronauten z.B. genau mit der Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s²), so spürt er dieselbe Kraft, als wenn er sich stehend auf der Erdoberfläche befinden würde.

Wenn nun aber alles relativ ist, wie kann man überhaupt noch eine Aussage über irgendetwas machen? Die Klärung dieses Punktes hat Einstein mehr Zeit gekostet, als die komplizierten Gleichungen seiner Theorie zu backen. Die Lösung war denkbar einfach. Es ist immer möglich ein lokales Inertialsystem zu schaffen (also einen „Freien Fall“), der eine Vergleichsmöglichkeit zu einem Nicht-Inertialsystem bietet. Der Begriff einer absoluten Raum-Zeit-Angabe ist sinnlos. Wenn also Einstein festgestellt hat, dass Uhren im unmittelbaren Schwerefeld der Sonne langsamer gehen, meint er genauer: Eine Uhr geht im Schwerefeld der Sonne langsamer im Vergleich zu einer baugleichen Uhr, die sich im schwerelosen Raum befindet. Hier ein paar kuriose aber experimentell bestätigte Folgerungen der Relativitätstheorie:

SR Zeitdilatation:Bewegte Uhren gehen langsamer (relativ zu der ruhenden)

AR Zeitdilatation: Eine Uhr im Schwerefeld (z.B. dem der Sonne) geht relativ zu einer Uhr in der Schwerelosigkeit langsamer

SR Längenkontraktion: Vergleicht ein Beobachter ein vorbeifliegendes Lineal mit seinem ruhenden (gleichlangen) Lineal, so erscheint das bewegte verkürzt

AR Längenkontraktion: Längeneinheiten im Schwerefeld (z.B. dem der Sonne) sind relativ zu denen in der Schwerelosigkeit verkürzt

Lichtablenkung: Licht wird im Schwerefeld (z.B. dem der Sonne) abgelenkt

AR Rotverschiebung: Bewegt sich ein Stern z.B. von der Erde weg so erscheint sein Licht in den roten Bereich des Spektrums verschoben

SR Äquivalenz zwischen Masse und Energie

All diese unfassbaren Effekte bewegten Einstein dazu, die Raum-Zeit nicht als völlig eben und geradlinig anzunehmen. Er erfand den anschaulichen Begriff der Raumkrümmung. Wird ein Lichtquant im Schwerefeld der Sonne abgelenkt, so muss man diesen Effekt nicht als Wirkung einer Kraft verstehen. Das Lichtquant folgt nach Einstein nur dem durch die Masse der Sonne gekrümmten Raumverlauf. Es fällt dem Menschen deshalb so schwer, Raum und Zeit als gleichberechtigte Größen zu betrachten, weil wir kein Sinnesorgan für die Zeit besitzen und weil wir uns in einer Welt befinden, die sich schwer tut, auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Abgesehen von den Augen sorgt unser Gleichgewichts- oder besser Orientierungs-Sinnesorgan (die drei Bögen im Innenohr, welche wie ein dreidimensionales Koordinatensystem in x-, y-, und z-Richtung ausgerichtet sind) dafür, dass wir nicht wie volltrunken durch die Gegend torkeln. Es fehlt sozusagen ein innerer Chronometer, der im festen Takt die „Eigen-Zeit“ vorgibt. Die Eigen-Zeit spielt übrigens eine wichtige Rolle in der Relativitätstheorie.