Als die Relativitätstheorie in den frühen 1900er Jahren erschien, stellte sie Jahrhunderte der Wissenschaft auf den Kopf und vermittelte 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 boten, waren sie fließend und formbar.

Wer hat die Relativitätstheorie entwickelt?

Albert Einstein. Er veröffentlichte den ersten Teil seiner Theorie – die spezielle Relativitätstheorie – 1905 in der deutschen Zeitschrift Annalen der Physik und vollendete seine allgemeine Relativitätstheorie erst nach einem weiteren Jahrzehnt schwieriger Arbeit. Letztere stellte er Ende 1915 in einer Reihe von Vorlesungen 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? Das ist oft schwer zu sagen. Einstein erkannte, dass es buchstäblich unmöglich ist, zu erkennen, ob die Bewegung vollkommen gleichförmig ist – und bezeichnete dies als ein zentrales Prinzip der Physik.
• Sekunde, Licht bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 186.000 Meilen pro Sekunde. Unabhängig davon, wie schnell sich ein Beobachter oder ein Licht aussendendes Objekt bewegt, ergibt eine Messung der Lichtgeschwindigkeit immer das gleiche Ergebnis.

Ausgehend von diesen beiden Postulaten zeigte Einstein, dass Raum und Zeit in einer 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, ja sogar verblüffend sind.

Wenn Sie zum Beispiel in einer Rakete unterwegs sind und einen Freund in einer identischen, aber langsamer fliegenden Rakete überholen, werden Sie feststellen, dass die Uhr Ihres Freundes langsamer tickt als Ihre eigene (Physiker nennen das „Zeitdilatation“).

Außerdem erscheint die Rakete Ihres Freundes kürzer als Ihre eigene. Wenn deine Rakete schneller wird, nehmen deine Masse und die der Rakete zu. Je schneller du fliegst, desto schwerer werden die Dinge und desto mehr wird sich deine Rakete deinen Bemühungen widersetzen, schneller zu werden. Einstein hat gezeigt, dass nichts, was eine Masse hat, jemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen kann.

Eine weitere Folge 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 für die mit sich selbst multiplizierte Lichtgeschwindigkeit 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. Deshalb sind Atom- und Wasserstoffbomben so stark.

Was ist die allgemeine Relativitätstheorie?

Im Wesentlichen ist es eine Theorie der Schwerkraft. Der Grundgedanke 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 stärker krümmt es den Raum um sich herum.

Die Sonne beispielsweise ist massiv genug, um den Raum in unserem Sonnensystem zu krümmen – ähnlich wie ein schwerer Ball, der auf einer Gummiplatte ruht, die Platte krümmt. Infolgedessen bewegen sich die Erde und die anderen Planeten auf gekrümmten Bahnen (Orbits) um die Sonne.

Diese Verformung wirkt sich auch auf die Zeitmessung aus. Wir neigen dazu, uns die Zeit so vorzustellen, als würde sie mit gleichmäßiger Geschwindigkeit vergehen. Aber genau wie die Schwerkraft den Raum dehnen oder verzerren kann, kann sie auch die Zeit dehnen. Wenn Ihr Freund auf einen Berggipfel klettert, tickt seine Uhr schneller als Ihre, während die Uhr eines anderen Freundes unten im Tal langsamer tickt, weil die Schwerkraft an jedem Ort unterschiedlich stark ist. Spätere Experimente bewiesen, dass dies tatsächlich der Fall ist.

Wie sieht die Relativitätstheorie „unter der Haube“ aus?

Die spezielle Relativitätstheorie besteht letztlich aus einer Reihe von Gleichungen, die die Art und Weise, wie die Dinge in einem Bezugssystem aussehen, mit der Art und Weise in Beziehung setzen, wie sie in einem anderen Bezugssystem aussehen – 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 in der Regel in Physikkursen für Hochschulabsolventen 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 von fernen Sternen beim Vorbeiflug an unserer Sonne und bewiesen damit, dass die Schwerkraft tatsächlich den Raum verzerrt oder krümmt.

Im Jahr 1971 testeten Wissenschaftler beide Teile von Einsteins Theorie, indem sie präzise 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 Millionstel Sekunde) als die Uhren am Boden.

Die Diskrepanz ergab sich 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 Gefüge der Raumzeit – eine weitere Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie.

Relativität in der Praxis

Auch wenn die Ideen hinter der Relativitätstheorie esoterisch anmuten, so hat sie doch einen enormen Einfluss auf die moderne Welt.

Kernkraftwerke und Kernwaffen zum Beispiel wären ohne das Wissen, dass Materie in Energie umgewandelt werden kann, unmöglich. Und unser GPS-Satellitennetz (Global Positioning System) muss die subtilen Effekte der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie berücksichtigen, sonst würden die Ergebnisse um mehrere Kilometer daneben liegen.

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