Heute kennt sie vermutlich jeder, die berühmte Formel E = mc² in Einsteins Relativitätstheorie. Sie hat unser Verständnis vom Universum komplett umgekrempelt. Mit einem Mal fallen Zeit und Raum zusammen, wurde das statische Bild unserer Galaxie relativiert. Kein Wunder das Einsteins Zeitgenossen zu Beginn sehr skeptisch waren.

Was ist die Relativitätstheorie?

Wie der Name bereits vermuten lässt, setzt Einsteins Relativitätstheorie Dinge zueinander ins Verhältnis. Das allein wäre nicht der Rede wert, wären diese Dinge nicht die noch damals festen Konstanten Zeit und Raum.

Dadurch eröffnete Einstein einen Kosmos, in dem Warp-Antriebe, Zeitreisen und Schwarze Löcher zumindest physikalisch bewiesen werden konnten. Die Relativitätstheorie setzt sich genauer genommen aus zwei Einzeltheorien zusammen.

  • Die spezieller Relativitätstheorie von 1905: Diese Theorie beschreibt die Erfahrung von Zeit und Raum aus der Sicht des Beobachters.
  • Die allgemeine Relativitätstheorie von 1915: Hiermit beschreibt Einstein die Schwerkraft als Krümmung von Raum und Zeit durch massereiche Objekte wie Planeten oder Sternen.

In den zehn Jahren zwischen seinen Theorien versuchte Albert Einstein Beweise dafür zu finden, dass Raum und Zeit nicht nur untrennbar miteinander verbunden sind, sondern auch sondern durch die Gravitation als Raumzeit gekrümmt wird. Das Ergebnis kennen wir als Schwerkraft.

3D Darstellung Gravitation
Einsteins Relativitätstheorie lieferte den Beweis dafür, dass Zeit und Raum miteinander verbunden sind. Die Darstellung zeigt, wie ein massereiches Objekt die Raumzeit krümmt. Credit: imago / Panthermedia

Die Entdeckung der Raumzeit

Einsteins Theorie basiert auf einem physikalischen Bezugssystem, dass ein raum-zeitliches Gebilde ist. Ortsabhängige Vorgänge können in einem solchen Bezugssystem genau bestimmt werden. Sie heißen Inertialsysteme und beschreiben einen Raum, von dem aus physikalische Gesetze immer gleich sind.

Die Erde ist zum Beispiel ein solches Inertialsystem. Wir bekommen es schlichtweg nicht mit, dass wir uns mit 1.670 Stundenkilometer durchs All bewegen. Laufen wir durch einen Zug, fühlt es sich so an, also würde dieser auf der Stelle stehen, obwohl er an der Landschaft vorbeirast.

Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie liegt das an dem Effekt des Inertialsystems. In einem solchen System sind alle Geschwindigkeiten von anderen Bezugspunkten aus gleichberechtigt. Zeit vergeht also relativ schnell, je nach dem von welchem Punkt man auf die Situation schaut.

Oder anders formuliert:

  • Einsteins spezielle Relativitätstheorie besagt, dass Zeit normal und gleichzeitig viel schneller vergehen kann.
  • Dabei kann jedoch kein System schneller als das Licht sein, weil es physikalisch nicht möglich ist sich schneller als 299.792,458 Meter pro Sekunde fortzubewegen.

Was bedeutet das? Für Einstein entstand hieraus ein Widerspruch, weil sich die Geschwindigkeit durch die Strecke und Zeit berechnet (V=s/t). Wenn die Lichtgeschwindigkeit aber immer gleich ist, bedeutet das, dass ein Raum nicht immer gleichgroß sein kann und dass Zeit nicht immer gleich schnell vergeht.

Die Formel E = mc²

Teil von Einsteins Relativitätstheorie ist die berühmt gewordene Formel E = mc². Was genau die Formel beschreibt, ist jedoch den meisten Menschen fremd. E = mc² besagt, dass sich die Energie aus der Masse und der Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat ergibt. Laut Einstein sind Energie und Masse gleichwertig.

Einsteins Relativitätstheorie: Zeitdilatationen und Längenkontraktion

Durch die Geschwindigkeit eines Objektes kann die Zeit und der Weg beeinflusst werden. Zeit und der Weg sind somit beeinflussbar und abhängig von der Geschwindigkeit.

Folgende zwei Gesetzmäßigkeiten spielen eine Rolle:

  • Zeitdilatation: Je schneller sich ein Körper im Raum bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit.
  • Längenkontraktion: Je schneller sich ein Objekt im Raum bewegt, desto stärker wird sein Körper in Richtung der Geschwindigkeit gestaucht.

Die Gravitation

Fügt man diese einzelnen Punkte zusammen, stehen wir auch schon am Ende von Einsteins Relativitätstheorie: Den Einfluss von massereichen Körpern auf die Raumzeit. Je näher ein Objekt einem viel massereicheren Objekt kommt, desto langsamer vergeht für das nahende Objekt die Zeit.

Das massereichere Objekt dehnt Raum und Zeit. Besonders extrem krümmt sich Raum und Zeit um supermassereiche Schwarze Löcher. Ihre Gravitation ist so extrem, dass selbst Licht dem nicht mehr entkommen kann.

Erst 2019 gelang es Astronomen durch internationale Anstrengungen ein Schwarzes Loch zu fotografieren. Mit Entdeckung gelang es den Forschenden sowohl die Existenz Schwarzer Löcher nachzuweisen als auch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu bestätigen.

Quellen: Chip, WELT, Space.com, Spektrum der Wissenschaft

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