|
Nach 1905 machte sich Einstein daran, eine weitere Unvereinbarkeit zwischen seiner Speziellen Relativitätstheorie und den Aussagen Newtons zu untersuchen. Laut Newton breitete sich die Gravitationskraft nämlich mit sofortiger Wirkung, sprich schneller als das Licht, aus. Dies stand natürlich im Widerspruch zu Einsteins Untersuchungen. Das Ergebnis seiner Berechnungen - die Allgemeine Relativitätstheorie - veröffentlichte Einstein 1916. In dieser bahnbrechenden Arbeit gelang es ihm, die Widersprüche weitgehend zu beseitigen und eine vollkommen neue Theorie der Gravitation aufzustellen. Im folgenden möchte ich nun Einsteins Vorgehensweise in ihren wesentlichen Zügen beschreiben.
Begonnen hat Einstein mit einem Gedankenexperiment: Man stelle sich eine Person vor, die sich mit einem Fahrstuhl nach unten bewegt. Wenn nun die Beschleunigung des Fahrstuhls der Erdbeschleunigung entspricht, so müßte sich die Person in einem schwerelosen Zustand befinden. Dieser \"Versuch\" könnte aber auch auf andere Weise gestaltet werden: Angenommen der Fahrstuhl befindet sich im leeren Raum, weitab von jeder Materie, die eine Anziehung auf ihn ausüben könnte. Wenn er nun durch eine fiktive Kraft aufgehoben, also nach oben beschleunigt wird, dann wirkt auf unsere Person eine Kraft, die der Anziehung eines Planeten entspricht. Die Person schwebt jetzt nicht mehr im Fahrstuhl, sondern sie steht (hoffentlich) mit beiden Beinen am Boden. Ein Gegenstand, den sie in der Hand gehalten hat und dann ausläßt, würde auf den Boden fallen, genau wie auf der Erde oder einem anderen Planeten. Es ist dabei übrigens egal, wie groß oder wie schwer der Körper ist - diese Kraft, wir nennen sie Gravitation, wirkt nämlich auf alle Körper gleich. Der einzige Grund, warum eine Feder trotzdem langsamer fällt als eine Eisenkugel, die in derselben Höhe fallengelassen wird, liegt am Luftwiderstand.
Diese Überlegung führte Einstein zu der Annahme, daß Beschleunigung (bzw. Trägheit) und Gravitation einander entsprechen. Dieses Äquivalenzprinzip stellt auch zugleich die Hauptaussage der Allgemeinen Relativitätstheorie dar. Im Grunde genommen kann man sagen, daß Einstein die Spezielle Relativitätstheorie auf beschleunigte Systeme anwandte und so zu seiner Gravitationstheorie gelangte. Die Gravitation selbst beschrieb er als eine Krümmung der Raumzeit, verursacht durch die Massen und Energien, die sich in ihr befinden. Die kürzeste Verbindung (Geodäte) auf einer gekrümmten Oberfläche ist eine gebogene Linie, keine Gerade. Zum besseren Verständnis kann man sich ein Flugzeug vorstellen, das angenommen auf der kürzestmöglichen Strecke von Wien nach New York fliegt. Aufgrund der Erdkrümmung ist diese Strecke allerdings nicht gerade, sondern gebogen. Und auf dieselbe Art verhalten sich auch die Planeten, wenn sie um die Sonne kreisen: Sie folgen dem kürzesten Weg in einer gekrümmten Raumzeit - daraus resultieren die Umlaufbahnen.
Um seine neue Theorie zu bestätigen, wandte er sie auf die Berechnung der Umlaufbahn des Merkur, des sonnennächsten Planeten, an. Die Bahnellipse verändert nämlich geringfügig ihren Scheitelpunkt (Perihelwanderung) - eine Tatsache, die dazu führte, daß Newtons Methoden bei der Berechnung versagten. Einstein jedoch gelangte zum richtigen Ergebnis und erhielt somit einen ersten Nachweis der Korrektheit seiner Aussagen.
Eine weitere Bestätigung fand die Theorie durch die Untersuchung einer Sonnenfinsternis im Jahre 1919. Dabei stellte man fest, daß das Licht von Sternen, die sich hinter der Sonne befinden, abgelenkt wird (schließlich besitzt das Licht, obwohl / oder gerade weil es nur aus Energie besteht, Masseeigenschaften und unterliegt somit der Gravitation).
Doch die Gravitation - oder besser gesagt die Krümmung der Raumzeit - hat auch Auswirkungen auf den Zeitablauf[2]: Je nachdem ob wir uns am Meer oder auf der Spitze eines sehr hohen Berges befinden, vergeht die Zeit verschieden schnell. Um genau zu sein, beschleunigt sich der Ablauf um 10-13 s pro Kilometer über der Meereshöhe. Aufgrund dieses äußerst kleinen Wertes hat dieses Phänomen auf unseren Alterungsprozeß praktisch keinen Einfluß. Würden wir uns allerdings auf der Sonne aufhalten, könnten wir unsere Lebenszeit um etwa 30 Sekunden pro Jahr verlängern.
Doch kehren wir wieder auf unsere Erde zurück bzw. 20 000 km darüber: In dieser Höhe befinden sich nämlich Navigationssatelliten, welche die Position auf der Erde bis auf wenige Meter genau bestimmen können (für militärische Zwecke ist sogar eine noch höhere Genauigkeit verfügbar). Obwohl die Verkürzung der Zeit durch die Eigengeschwindigkeit der Satelliten teilweise ausgeglichen wird, besteht trotzdem ein Unterschied von 38 Mikrosekunden pro Tag. Um dennoch exakte Standortbestimmungen durchführen zu können, muß der Zeitunterschied dementsprechend korrigiert werden.
Ein weiterer Punkt, den ich erwähnen möchte, ist, daß die Raumzeit durch die Allgemeine Relativitätstheorie zu einer dynamischen Größe wird. Das heißt also, sie wird von bewegten Körpern und von Kräften beeinflußt, sprich gekrümmt, aber durch ebendiese Verformung beeinflußt sie selbst die Bewegung von Körpern und die Wirkungsweise von Kräften. Die Raumzeit ist nicht länger ein passiver Hintergrund, in dem die Ereignisse stattfinden.
Daß auch so große Denker wie Albert Einstein irren können, zeigt sein Versuch, durch die Einführung der sogenannten kosmologischen Konstante die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie teilweise künstlich zu beeinflussen. Laut seiner Theorie war es nämlich unmöglich, daß das Universum statisch ist - es mußte sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Einstein war aber so sehr von einem gleichbleibenden Weltall überzeugt, daß er die (immer positiv wirkende) Gravitationskraft durch die kosmologische Konstante ausglich. Erst als Edwin Hubble 1929 beobachtete, daß ferne Galaxien sich fortbewegen, war Einstein von der Expansion überzeugt. Später nannte Einstein diesen kosmologischen Term \"die größte Eselei meines Lebens\".
|
