Relativitätstheorie

ÔĽŅ
Relativitätstheorie

Die Relativit√§tstheorie befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Sie besteht aus zwei ma√ügeblich von Albert Einstein geschaffenen physikalischen Theorien, der 1905 ver√∂ffentlichten speziellen Relativit√§tstheorie und der 1916 abgeschlossenen allgemeinen Relativit√§tstheorie. Die spezielle Relativit√§tstheorie beschreibt das Verhalten von Raum und Zeit aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen, und die damit verbundenen Ph√§nomene. Darauf aufbauend f√ľhrt die allgemeine Relativit√§tstheorie die Gravitation auf eine Kr√ľmmung von Raum und Zeit zur√ľck, die unter anderem durch die beteiligten Massen verursacht wird.

In diesem Artikel werden die grundlegenden Strukturen und Ph√§nomene lediglich zusammenfassend aufgef√ľhrt. F√ľr Erl√§uterungen und Details siehe die Artikel spezielle Relativit√§tstheorie und allgemeine Relativit√§tstheorie sowie die Verweise im Text. Zum Begriff der Relativit√§t als solchem siehe Relativit√§t.

Albert Einstein gewidmete Briefmarke der UdSSR, 16. März 1979

Inhaltsverzeichnis

Grundsätzliche Bedeutung

Die Relativitätstheorie hat das Verständnis von Raum und Zeit revolutioniert und Naturzusammenhänge aufgedeckt, die sich der anschaulichen Vorstellung entziehen. Die betreffenden Vorgänge und Eigenschaften lassen sich jedoch mathematisch präzise beschreiben und sind experimentell bestens bestätigt.

Die Relativit√§tstheorie stellt eine der beiden S√§ulen des Theoriengeb√§udes der Physik dar. Die Vereinigung mit der Quantentheorie, die die zweite S√§ule repr√§sentiert, ist bisher nicht vollst√§ndig gelungen und z√§hlt zu den gr√∂√üten Herausforderungen der physikalischen Grundlagenforschung. Beide Theorien enthalten ihren Vorg√§nger, die newtonsche Physik, als Grenzfall und erf√ľllen damit das sogenannte Korrespondenzprinzip.

Das heutige Standardmodell der Physik beruht auf der Vereinigung der speziellen Relativit√§tstheorie mit der Quantentheorie in den relativistischen Quantenfeldtheorien. Eine Quantentheorie, die auch die allgemeine Relativit√§tstheorie ber√ľcksichtigt, bezeichnet man als Quantengravitation.

Die spezielle Relativitätstheorie

→ Hauptartikel: Spezielle Relativitätstheorie

Das Relativitätsprinzip

Die beiden folgenden Feststellungen lassen sich als Axiome der Relativitätstheorie interpretieren, aus denen alles Weitere hergeleitet werden kann:

Beide Beobachter messen f√ľr die Geschwindigkeit des Lichtes denselben Zahlenwert, obwohl der Linke sich bewegt.
  • Messen verschiedene Beobachter die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls relativ zu ihrem Standort, so kommen sie unabh√§ngig von ihrem eigenen Bewegungszustand zum selben Ergebnis. Dies ist das sogenannte Prinzip von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.
  • Die physikalischen Gesetze haben f√ľr alle Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, also keiner Beschleunigung unterliegen, dieselbe Gestalt. Diesen Umstand nennt man Relativit√§tsprinzip. Man spricht von Inertialsystemen, in denen sich diese Beobachter befinden.

Das Relativit√§tsprinzip an sich ist wenig spektakul√§r, denn es gilt auch f√ľr die newtonsche Mechanik. Aus ihm folgt unmittelbar, dass es keine M√∂glichkeit gibt, eine absolute Geschwindigkeit eines Beobachters im Raum zu ermitteln und damit ein absolut ruhendes Bezugssystem zu definieren. Ein solches Ruhesystem m√ľsste sich in irgendeiner Form von allen anderen unterscheiden im Widerspruch zum Relativit√§tsprinzip, wonach die Gesetze der Physik in allen Bezugssystemen dieselbe Gestalt haben. Nun beruhte vor der Entwicklung der Relativit√§tstheorie die Elektrodynamik auf der Annahme des √Ąthers als Tr√§ger elektromagnetischer Wellen. W√ľrde ein solcher √Ąther als starres Gebilde den Raum f√ľllen, dann w√ľrde er ein Bezugssystem definieren, in dem im Widerspruch zum Relativit√§tsprinzip die physikalischen Gesetze eine besonders einfache Form h√§tten und welches √ľberdies das einzige System w√§re, in dem die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Jedoch scheiterten alle Versuche, die Existenz des √Ąthers nachzuweisen, wie beispielsweise das ber√ľhmte Michelson-Morley-Experiment von 1887.

Durch die Aufgabe der konventionellen Vorstellungen von Raum und Zeit und der Verwerfung der √Ątherhypothese gelang es Einstein, den scheinbaren Widerspruch zwischen dem Relativit√§tsprinzip und der aus der Elektrodynamik folgenden Konstanz der Lichtgeschwindigkeit aufzul√∂sen. Nicht zuf√§llig waren es Experimente und √úberlegungen zur Elektrodynamik, die zur Entdeckung der Relativit√§tstheorie f√ľhrten. So lautete der unscheinbare Titel der einsteinschen Publikation von 1905, die die spezielle Relativit√§tstheorie begr√ľndete, Zur Elektrodynamik bewegter K√∂rper.

Relativität von Raum und Zeit

Raum- und Zeitangaben sind in der Relativit√§tstheorie keine universell g√ľltigen Ordnungsstrukturen, sondern der r√§umliche und zeitliche Abstand zweier Ereignisse und damit auch ihre Gleichzeitigkeit werden von Beobachtern mit verschiedenen Bewegungszust√§nden unterschiedlich beurteilt. Bewegte Objekte erweisen sich im Vergleich zum Ruhezustand in Bewegungsrichtung als verk√ľrzt und bewegte Uhren als verlangsamt. Da jedoch jeder gleichf√∂rmig bewegte Beobachter den Standpunkt vertreten kann, er sei in Ruhe, beruhen diese Beobachtungen auf Gegenseitigkeit, das hei√üt, zwei relativ zueinander bewegte Beobachter sehen die Uhren des jeweils anderen langsamer gehen. Au√üerdem sind aus ihrer Sicht die Meterst√§be des jeweils anderen k√ľrzer als ein Meter, wenn sie l√§ngs der Bewegungsrichtung ausgerichtet sind. Die Frage, wer die Situation korrekt beschreibt, ist hierbei prinzipiell nicht zu beantworten und daher sinnlos.

Diese Längenkontraktion und Zeitdilatation lassen sich vergleichsweise anschaulich anhand von Minkowski-Diagrammen und anhand des bekannten Zwillingsparadoxons nachvollziehen. In der mathematischen Formulierung ergeben sie sich aus der Lorentz-Transformation, die den Zusammenhang zwischen den Raum- und Zeitkoordinaten der verschiedenen Beobachter beschreibt. Diese Transformation lässt sich direkt aus den beiden obigen Axiomen und der Annahme, dass sie linear ist, herleiten.

Alle diese Phänomene machen sich erst bei Geschwindigkeiten bemerkbar, die im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit ins Gewicht fallen, so dass sie im Alltag nicht auffallen.

Lichtgeschwindigkeit als Grenze

Kein Objekt und keine Information kann sich schneller bewegen als das Licht im Vakuum. N√§hert sich die Geschwindigkeit eines materiellen Objektes der Lichtgeschwindigkeit, so strebt der Energieaufwand f√ľr eine weitere Beschleunigung √ľber alle Grenzen, weil die kinetische Energie mit zunehmender Ann√§herung an die Lichtgeschwindigkeit mit wachsender Geschwindigkeit immer steiler ansteigt. Zum Erreichen der Lichtgeschwindigkeit m√ľsste unendlich viel Energie aufgebracht werden.

Dieser Umstand ist eine Folge der Struktur von Raum und Zeit und keine Eigenschaft des Objekts, wie beispielsweise eines lediglich unvollkommenen Raumschiffes. W√ľrde sich ein Objekt mit √úberlichtgeschwindigkeit von A nach B bewegen, so g√§be es immer einen relativ zu ihm bewegten Beobachter, der eine Bewegung von B nach A wahrnehmen w√ľrde, wiederum ohne dass die Frage, wer die Situation korrekt beschreibt, einen Sinn g√§be. Das Kausalit√§tsprinzip w√§re dann verletzt, da die Reihenfolge von Ursache und Wirkung nicht mehr definiert w√§re. Ein solches Objekt w√ľrde sich √ľbrigens f√ľr jeden Beobachter mit √úberlichtgeschwindigkeit bewegen.

Vereinigung von Raum und Zeit zur Raumzeit

‚Üí Hauptartikel: Raumzeit

Raum und Zeit erscheinen in den Grundgleichungen der Relativit√§tstheorie formal weitgehend gleichwertig nebeneinander und lassen sich daher zu einer vierdimensionalen Raumzeit vereinigen. Der Umstand, dass Raum und Zeit √ľberhaupt als unterschiedliche Ph√§nomene in Erscheinung treten, l√§sst sich letztlich auf ein einziges Vorzeichen zur√ľckf√ľhren, durch das sich die Art und Weise, wie ein Abstand im euklidischen Raum definiert wird, von der Bestimmung des Abstands in der vierdimensionalen Raumzeit unterscheidet. Aus gew√∂hnlichen Vektoren im dreidimensionalen Raum werden dabei sogenannte Vierervektoren.

In der Raumzeit gibt es, aufgrund der Relativit√§t von L√§ngen und Zeitspannen, nur drei klar unterscheidbare Bereiche f√ľr jeden Beobachter:

  • Im Zukunftslichtkegel liegen alle Punkte, die der Beobachter mit maximal Lichtgeschwindigkeit erreichen oder an die er ein Lichtsignal senden kann.
  • Der Vergangenheitslichtkegel umfasst alle Punkte, von denen aus ein Signal mit maximal Lichtgeschwindigkeit den Beobachter erreichen kann.
  • Alle restlichen Punkte hei√üen ‚Äěvom Beobachter raumartig getrennt‚Äú. In diesem Bereich lassen sich Zukunft und Vergangenheit nicht definieren.

√Ąquivalenz von Masse und Energie

‚Üí Hauptartikel: √Ąquivalenz von Masse und Energie

Einem System mit der Masse m lässt sich auch im unbewegten Zustand eine Energie E zuordnen, und zwar nach

E = m \cdot c^2,

wobei c die Geschwindigkeit des Lichtes ist. Diese Formel ist eine der ber√ľhmtesten in der Physik. Oft wird irref√ľhrend behauptet, sie habe die Entwicklung der Atombombe erm√∂glicht. Die Wirkungsweise der Atombombe kann jedoch mit ihr nicht erkl√§rt werden. Allerdings konnte schon 1939 kurz nach der Entdeckung der Kernspaltung mit dieser Formel und den schon bekannten Massen der Atome durch Lise Meitner die enorme Freisetzung von Energie abgesch√§tzt werden.[1] Diese Massenabnahme tritt auch schon bei chemischen Reaktionen auf, war jedoch dort mit den damaligen Messmethoden nicht bestimmbar, anders als im Fall von Kernreaktionen.

Magnetfelder in der Relativitätstheorie

Die Existenz magnetischer Kr√§fte ist untrennbar mit der Relativit√§tstheorie verkn√ľpft. Eine isolierte Existenz des coulombschen Gesetzes f√ľr elektrische Kr√§fte w√§re nicht mit der Struktur von Raum und Zeit vertr√§glich. So sieht ein Beobachter, der relativ zu einem System statischer elektrischer Ladungen ruht, kein Magnetfeld, anders als ein Beobachter, der sich relativ zu ihm bewegt. √úbersetzt man die Beobachtungen des ruhenden Beobachters √ľber eine Lorentz-Transformation in die des Bewegten, so stellt sich heraus, dass dieser neben der elektrischen Kraft eine weitere, magnetische, Kraft wahrnimmt. Die Existenz des Magnetfeldes in diesem Beispiel l√§sst sich daher auf die Struktur von Raum und Zeit zur√ľckf√ľhren. Unter diesem Gesichtspunkt wirkt auch die im Vergleich zum Coulombgesetz komplizierte und auf den ersten Blick wenig plausible Struktur des vergleichbaren Biot-Savartschen Gesetzes f√ľr Magnetfelder weniger verwunderlich. Im mathematischen Formalismus der Relativit√§tstheorie werden das elektrische und das magnetische Feld zu einer Einheit, dem vierdimensionalen elektromagnetischen Feldst√§rketensor, zusammengefasst, ganz analog zur Vereinigung von Raum und Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit.

Die allgemeine Relativitätstheorie

→ Hauptartikel: Allgemeine Relativitätstheorie

Gravitation und die Kr√ľmmung des Raumes

Die allgemeine Relativit√§tstheorie f√ľhrt die Gravitation auf ein geometrisches Ph√§nomen in einer gekr√ľmmten Raumzeit zur√ľck, indem sie feststellt:

  • Energie kr√ľmmt die Raumzeit in ihrer Umgebung.
  • Ein Gegenstand, auf den nur gravitative Kr√§fte wirken, bewegt sich zwischen zwei Punkten in der Raumzeit stets auf einer sogenannten Geod√§te.

Entzieht sich die vierdimensionale Raumzeit der speziellen Relativit√§tstheorie bereits einer anschaulichen Vorstellbarkeit, so gilt das f√ľr eine zus√§tzlich gekr√ľmmte Raumzeit erst recht. Zur Veranschaulichung kann man jedoch Situationen mit reduzierter Anzahl von Dimensionen betrachten. So entspricht im Fall einer 2-dimensionalen gekr√ľmmten Landschaft eine Geod√§te dem Weg, den ein Fahrzeug mit geradeaus fixierter Lenkung nehmen w√ľrde. W√ľrden zwei solche Fahrzeuge am √Ąquator einer Kugel nebeneinander exakt parallel Richtung Norden starten, dann w√ľrden sie sich am Nordpol treffen. Ein Beobachter, dem die Kugelgestalt der Erde verborgen bliebe, w√ľrde daraus auf eine Anziehungskraft zwischen den beiden Fahrzeugen schlie√üen. Es handelt sich aber um ein rein geometrisches Ph√§nomen. Gravitationskr√§fte werden daher in der allgemeinen Relativit√§tstheorie gelegentlich auch als Scheinkr√§fte bezeichnet.

Da der geod√§tische Weg durch die Raumzeit von ihrer Geometrie und nicht von der Masse oder sonstigen Eigenschaften des fallenden K√∂rpers abh√§ngt, fallen alle K√∂rper im Gravitationsfeld gleich schnell, wie bereits Galilei feststellte. Dieser Umstand wird in der newtonschen Mechanik durch die √Ąquivalenz von tr√§ger und schwerer Masse beschrieben, die auch der allgemeinen Relativit√§tstheorie zugrunde liegt.

Die mathematische Struktur der allgemeinen Relativitätstheorie

Während viele Aspekte der speziellen Relativitätstheorie in ihrer einfachsten Formulierung auch mit geringen mathematischen Kenntnissen nachvollziehbar sind, ist die Mathematik der allgemeinen Relativitätstheorie deutlich anspruchsvoller. Die Beschreibung einer krummen Raumzeit erfolgt mit den Methoden der Differentialgeometrie, die die euklidische Geometrie des uns vertrauten flachen Raumes ablöst.

Zur Beschreibung von Kr√ľmmung wird zur Anschauung meist ein gekr√ľmmtes Objekt in einen h√∂herdimensionalen Raum eingebettet. Zum Beispiel stellt man sich eine zweidimensionale Kugeloberfl√§che √ľblicherweise in einem dreidimensionalen Raum vor. Kr√ľmmung kann jedoch ohne die Annahme eines solchen Einbettungsraumes beschrieben werden, was in der allgemeinen Relativit√§tstheorie auch geschieht. Es ist beispielsweise m√∂glich, Kr√ľmmung dadurch zu beschreiben, dass die Winkelsumme von Dreiecken nicht 180¬į entspricht.

Die Entstehung der Kr√ľmmung wird durch die einsteinschen Feldgleichungen beschrieben. Dabei handelt es sich um Differentialgleichungen eines Tensorfeldes mit zehn Komponenten, die nur in speziellen F√§llen analytisch, das hei√üt in Form einer mathematischen Gleichung, l√∂sbar sind. F√ľr komplexe Systeme wird daher √ľblicherweise mit N√§herungsmechanismen gearbeitet.

Uhren im Gravitationsfeld

In der allgemeinen Relativit√§tstheorie h√§ngt der Gang von Uhren nicht nur von ihrer relativen Geschwindigkeit ab, sondern auch von ihrem Ort im Gravitationsfeld. Eine Uhr auf einem Berg geht schneller als eine im Tal. Dieser Effekt ist zwar im irdischen Gravitationsfeld nur gering, er wird jedoch beim GPS-Navigationssystem zur Vermeidung von Fehlern bei der Positionsbestimmung √ľber eine entsprechende Frequenzkorrektur der Funksignale ber√ľcksichtigt.

Kosmologie

W√§hrend die spezielle Relativit√§tstheorie bei Anwesenheit von Massen nur in Gebieten der Raumzeit gilt, die so klein sind, dass die Kr√ľmmung vernachl√§ssigt werden kann, kommt die allgemeine Relativit√§tstheorie ohne diese Einschr√§nkung aus. Sie kann somit auch auf das Universum als Ganzes angewandt werden und spielt daher in der Kosmologie eine zentrale Rolle. So wird die Expansion des Weltalls, die die Astronomen beobachten, durch die friedmannschen L√∂sungen der einsteinschen Feldgleichungen in Kombination mit einer sogenannten kosmologischen Konstanten angemessen beschrieben. Danach begann diese Expansion mit dem Urknall, der nach den j√ľngsten Untersuchungen vor 13,7 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Er kann auch als der Beginn von Raum und Zeit angesehen werden, bei dem das gesamte Universum auf einem Raumgebiet vom Durchmesser der Planck-L√§nge konzentriert war.

Schwarze Löcher

Eine weitere Vorhersage der allgemeinen Relativit√§tstheorie sind Schwarze L√∂cher. Diese Objekte haben eine so starke Gravitation, dass sie sogar Licht ‚Äěeinfangen‚Äú k√∂nnen, so dass es nicht wieder aus dem schwarzen Loch herauskommen kann. Einstein konnte sich mit diesem Gedanken nicht anfreunden und meinte, es m√ľsse einen Mechanismus geben, der die Entstehung solcher Objekte verhindert. Heutige Beobachtungen legen aber nahe, dass es solche Schwarzen L√∂cher im Universum tats√§chlich gibt, und zwar als Endstadium der Sternentwicklung bei sehr massereichen Sternen und in den Zentren von Galaxien.

Gravitationswellen

Die allgemeine Relativit√§tstheorie erlaubt die Existenz von Gravitationswellen, lokalen Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie sollten bei der Beschleunigung von Massen entstehen. Diese Deformationen sind jedoch derma√üen klein, dass sie sich bis heute einem direkten Nachweis entzogen haben. Eine vergleichsweise nahe Supernovaexplosion im Jahre 1987 sollte Gravitationswellen erzeugt haben, die mit heutigen (2011) Detektoren nachweisbar w√§ren. Allerdings waren die zwei Detektoren, die zu diesem Zeitpunkt im Einsatz waren nicht genau genug, um eine eindeutige Best√§tigung zu erbringen.[2] Immerhin konnte aus Beobachtungen an Doppelsternsystemen mit Pulsaren die Existenz von Gravitationswellen indirekt best√§tigt werden. Russell Hulse und Joseph Taylor erhielten daf√ľr 1993 den Nobelpreis f√ľr Physik.

Entstehungsgeschichte

Spezielle Relativitätstheorie

→ Hauptartikel: Geschichte der speziellen Relativitätstheorie

Ausgehend von den Problemen der verschiedenen √Ąthertheorien des 19. Jahrhunderts und der Maxwellschen Gleichungen setzte eine kontinuierliche Entwicklung mit folgenden Hauptstationen ein:

  • dem Michelson-Morley-Experiment (1887), welches keine Relativbewegung zwischen Erde und √Ąther (√Ątherdrift) aufzeigen konnte;
  • der Kontraktionshypothese von George FitzGerald (1889) und Hendrik Antoon Lorentz (1892), mit welcher das Michelson-Morley-Experiment erkl√§rt werden sollte;
  • der Lorentz-Transformation von Lorentz (1892, 1899) und Joseph Larmor (1897), welche eine Ver√§nderung der Zeitvariablen beinhaltete, und mit der generell die negativen √Ątherdriftexperimente erkl√§rt werden sollten;
  • dem Relativit√§tsprinzip (1900, 1904), der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (1898, 1904), und der Relativit√§t der Gleichzeitigkeit (1898, 1900) durch Henri Poincar√©, welcher jedoch am √Ąthergedanken festhielt;
  • sowie dem Erreichen der vollen Kovarianz der elektrodynamischen Grundgleichungen durch Lorentz (1904) und Poincar√© (1905) in der lorentzschen √Ąthertheorie.

Dies kulminierte in der speziellen Relativit√§tstheorie Albert Einsteins (1905) durch eine durchsichtige Ableitung der gesamten Theorie aus den Postulaten des Relativit√§tsprinzips und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, und der endg√ľltigen √úberwindung des √Ątherbegriffs durch Reformulierung der Begriffe von Raum und Zeit. Die dynamische Betrachtungsweise von Lorentz und Poincar√© wurde durch die kinematische Einsteins ersetzt. Schlie√ülich folgte die mathematische Reformulierung der Theorie durch Einbeziehung der Zeit als vierte Dimension durch Hermann Minkowski (1907).

Allgemeine Relativitätstheorie

→ Hauptartikel: Allgemeine Relativitätstheorie (Geschichte)

W√§hrend an der Entwicklung der speziellen Relativit√§tstheorie eine Reihe von Wissenschaftlern beteiligt war ‚ąí wobei Einsteins Arbeit von 1905 sowohl ein Ende als auch einen Neuanfang darstellte ‚ąí war die Entwicklung der allgemeinen Relativit√§tstheorie, was ihre grundlegenden physikalischen Aussagen betraf, praktisch die alleinige Errungenschaft Einsteins.

Diese Entwicklung begann 1907 mit dem √Ąquivalenzprinzip, wonach tr√§ge und schwere Masse √§quivalent sind. Daraus leitete er die gravitative Rotverschiebung ab und stellte fest, dass Licht im Gravitationsfeld abgelenkt wird, wobei er die dabei entstehende Verz√∂gerung, die so genannte Shapiro-Verz√∂gerung, bedachte. 1911 f√ľhrte er mit verfeinerten Methoden diese Grundgedanken weiter. Diesmal vermutete er auch, dass die Lichtablenkung im Gravitationsfeld messbar ist. Der von ihm zu dieser Zeit vorhergesagte Wert war jedoch noch um einen Faktor 2 zu klein.

Im weiteren Verlauf erkannte Einstein, dass Minkowskis vierdimensionaler Raumzeitformalismus, welchem er bislang skeptisch gegen√ľberstand, eine sehr wichtige Bedeutung bei der neuen Theorie zukam. Auch wurde ihm nun klar, dass die Mittel der euklidischen Geometrie nicht ausreichten, um seine Arbeit fortsetzen zu k√∂nnen. 1913 konnte er mit der mathematischen Unterst√ľtzung Marcel Grossmanns die im 19. Jahrhundert entwickelte nichteuklidische Geometrie in seine Theorie integrieren, ohne jedoch die vollst√§ndige Kovarianz, d. h. die √úbereinstimmung aller Naturgesetze in den Bezugssystemen, zu erreichen. 1915 waren diese Probleme nach einigen Fehlschl√§gen √ľberwunden, und Einstein konnte schlie√ülich die korrekten Feldgleichungen der Gravitation ableiten. Nahezu gleichzeitig gelang dies auch David Hilbert. Einstein errechnete den korrekten Wert f√ľr die Periheldrehung des Merkurs, und f√ľr die Lichtablenkung das Doppelte des 1911 erhaltenen Wertes. 1919 wurde dieser Wert erstmals best√§tigt, was den Siegeszug der Theorie in Physikerkreisen und auch in der √Ėffentlichkeit einleitete.

Danach versuchten sich viele Physiker an der exakten L√∂sung der Feldgleichungen, was in der Aufstellung diverser kosmologischer Modelle und in Theorien wie die der Schwarzen L√∂cher m√ľndete.

Weitere geometrische Theorien

Nach der Erkl√§rung der Gravitation als geometrisches Ph√§nomen lag es nahe, auch die anderen damals bekannten Grundkr√§fte, die elektrische und die magnetische, auf geometrische Effekte zur√ľckzuf√ľhren. Theodor Kaluza (1921) und Oskar Klein (1926) nahmen dazu eine zus√§tzliche in sich geschlossene Dimension des Raumes mit subatomarer L√§nge an, derart dass sie uns verborgen bleibt. Sie blieben jedoch mit ihrer Theorie erfolglos. Auch Einstein arbeitete lange vergeblich daran, eine solche einheitliche Feldtheorie zu schaffen.

Nach der Entdeckung weiterer Grundkr√§fte der Natur erlebten diese sogenannten Kaluza-Klein-Theorien eine Renaissance ‚Äď allerdings auf der Basis der Quantentheorie. Die heute aussichtsreichste Theorie zur Vereinigung der Relativit√§tstheorie und der Quantentheorie dieser Art, die Stringtheorie, geht von sechs beziehungsweise sieben verborgenen Dimensionen von der Gr√∂√üe der Planck-L√§nge und damit von einer zehn- beziehungsweise elfdimensionalen Raumzeit aus.

Experimentelle Bestätigungen

Der erste Erfolg der speziellen Relativit√§tstheorie war die Aufl√∂sung des Widerspruches zwischen dem Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments und der Theorie der Elektrodynamik, der √ľberhaupt als Anlass f√ľr ihre Entdeckung angesehen werden kann. Seither hat sich die spezielle Relativit√§tstheorie in der Interpretation unz√§hliger Experimente bew√§hrt. Ein √ľberzeugendes Beispiel ist der Nachweis von Myonen in der H√∂henstrahlung, die auf Grund ihrer kurzen Lebensdauer nicht die Erdoberfl√§che erreichen k√∂nnten, wenn nicht auf Grund ihrer hohen Geschwindigkeit die Zeit f√ľr sie langsamer gehen w√ľrde, beziehungsweise sie die Flugstrecke l√§ngenkontrahiert erfahren w√ľrden.

Hingegen gab es zur Zeit der Ver√∂ffentlichung der allgemeinen Relativit√§tstheorie einen einzigen Hinweis f√ľr ihre Richtigkeit, die Periheldrehung des Merkurs. 1919 stellte Arthur Stanley Eddington bei einer Sonnenfinsternis eine Verschiebung der scheinbaren Position der Sterne nahe der Sonne fest und lieferte mit diesem sehr direkten Hinweis auf eine Kr√ľmmung des Raums eine weitere Best√§tigung der Theorie.

Weitere experimentelle Tests sind im Artikel zur allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben.

Die Relativit√§tstheorie hat sich bis heute in der von Einstein vorgegebenen Form gegen alle Alternativen, die insbesondere zu seiner Theorie der Gravitation vorgeschlagen wurden, behaupten k√∂nnen. Die bedeutendste war die Jordan-Brans-Dicke-Theorie, die jedoch aufw√§ndiger war. Ihre G√ľltigkeit ist bisher nicht widerlegt worden, der Bereich, den der entscheidende Parameter nach heutigem experimentellen Stand einnehmen kann, ist jedoch stark eingeschr√§nkt.

Rezeption und Interpretation

Wahrnehmung in der √Ėffentlichkeit

Die neue Sichtweise der Relativit√§tstheorie bez√ľglich Raum und Zeit erregte nach ihrer Entdeckung auch in der Allgemeinheit Aufsehen. Einstein wurde zur Ber√ľhmtheit und die Relativit√§tstheorie erfuhr ein erhebliches Medienecho. Verk√ľrzt auf den Spruch alles ist relativ wurde sie zuweilen in die N√§he eines philosophischen Relativismus ger√ľckt.

Kritik an der Relativit√§tstheorie speiste sich aus verschiedenen Quellen, wie Unverst√§ndnis, Ablehnung der fortschreitenden Mathematisierung der Physik und teilweise auch Ressentiments gegen Einsteins j√ľdische Abstammung. Ab den 1920er Jahren versuchten in Deutschland einige wenige offen antisemitische Physiker, namentlich die Nobelpreistr√§ger Philipp Lenard und Johannes Stark, der Relativit√§tstheorie eine deutsche Physik entgegenzusetzen. Wenige Jahre nach der nationalsozialistischen Machtergreifung ging Stark mit einem Artikel in der SS-Zeitung Das Schwarze Korps vom 15. Juli 1937 gegen die im Land verbliebenen Anh√§nger der Relativit√§ts- und Quantentheorie in die Offensive. Unter anderem denunzierte er Werner Heisenberg und Max Planck als wei√üe Juden. Heisenberg wandte sich direkt an Himmler und erreichte seine volle Rehabilitierung; nicht zuletzt mit Blick auf die Bed√ľrfnisse der R√ľstungsentwicklung blieb die Relativit√§tstheorie erlaubt.

Auch viele f√ľhrende Vertreter der hergebrachten klassischen Physik lehnten Einsteins Relativit√§tstheorie ab, darunter Lorentz und Poincar√© selbst und auch Experimentalphysiker wie Michelson.

Literatur und Film

Physikalische Einf√ľhrungen und Diskussion

  • Max Born: Die Relativit√§tstheorie Einsteins. Bearbeitet von J√ľrgen Ehlers und Markus P√∂ssel. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-67904-9.
  • Albert Einstein, Leopold Infeld: Die Evolution der Physik. Zsolnay, Hamburg 1950, Rowohlt, Reinbek 1987, ISBN 3-499-18342-0.,
  • Albert Einstein: Grundz√ľge der Relativit√§tstheorie. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43512-3.(Originaltitel Meaning of relativity)
  • J√ľrgen Freund: Relativit√§tstheorie f√ľr Studienanf√§nger ‚Äď ein Lehrbuch. vdf Hochschulverlag, Z√ľrich 2004, ISBN 3-7281-2993-3.
  • Hubert Goenner: Spezielle Relativit√§tstheorie und die klassische Feldtheorie. Elsevier ‚Äď Spektrum Akademischer Verlag, M√ľnchen 2004, ISBN 3-8274-1434-2.
  • Holger M√ľller, Achim Peters: Einsteins Theorie auf dem optischen Pr√ľfstand ‚Äď Spezielle Relativit√§tstheorie. In: Physik in unserer Zeit. Wiley-VCH, Weinheim 35.2004,2, S.70‚Äď75. ISSN 0031-9252
  • Wolfgang Nolting: Grundkurs Theoretische Physik. Band 4. Spezielle Relativit√§tstheorie, Thermodynamik. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-42116-5.
  • Hans Stephani: Allgemeine Relativit√§tstheorie. Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1991, ISBN 3-326-00083-9.
  • Torsten Flie√übach: Allgemeine Relativit√§tstheorie'. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2006, ISBN 3-8274-1685-X.

Populäre Literatur

  • Julian Schwinger: Einsteins Erbe. Die Einheit von Raum und Zeit. Spektrum, Heidelberg 2000. ISBN 3-8274-1045-2.
  • David Bodanis: Bis Einstein kam. Die abenteuerliche Suche nach dem Geheimnis der Welt. Fischer, Frankfurt am Main 2003. ISBN 3-596-15399-9.
  • Gerald Kahan: Einsteins Relativit√§tstheorie ‚Äď zum leichten Verst√§ndnis f√ľr jedermann. Dumont, K√∂ln 1987, 2005. ISBN 3-7701-1852-9.

Philosophische Einf√ľhrungen und Diskussion

  • Julian Barbour: The End of Time. Weidenfeld & Nicolson, London 1999, ISBN 0-297-81985-2.
  • Ernst Cassirer: Zur Einsteinschen Relativit√§tstheorie. Erkenntnistheoretische Betrachtungen. Meiner, Hamburg 2001, ISBN 3-7873-1410-5.
  • John Earman: World Enough and Space-Time. Absolute versus relational theories of space and time. MIT, Cambridge, Mass. 1989, ISBN 0-262-05040-4.
  • John Earman (Hrsg.): Foundations of space-time theories. University of Minnesota Press, Minneapolis, Minn. 1977, ISBN 0-8166-0807-5.
  • L. Sklar: Space, Time, and Spacetime. University of California Press 1977, ISBN 0-520-03174-1.
  • R. Torretti: Relativity and Geometry. Pergamon, Oxford 1983, ISBN 0-08-026773-4.
  • M. Friedman: Foundations of Space-Time Theories. Relativistic physics and philosophy of science. Princeton University Press, Princeton, NJ 1983, ISBN 0-691-07239-6.
  • John Earman: Bangs, Crunches, Whimpers and Shrieks. Singularities and acausalities in relativistic spacetimes. Oxford University Press, Oxford 1995, ISBN 0-19-509591-X.
  • H. Brown: Physical Relativity. Space-time structure from a dynamical perspective. Clarendon, Oxford 2005, ISBN 978-0-19-927583-0.
  • Graham Nerlich: What spacetime explains. Metaphysical essays on space and time. Cambridge University Press, Cambridge 1994, ISBN 0-521-45261-9.
  • T. Ryckman: The Reign of Relativity. Philosophy in physics 1915‚Äď1925. Oxford University Press, New York 2005, ISBN 0-19-517717-7.
  • R. DiSalle: Understanding space-time. The philosophical development of physics from Newton to Einstein. Cambridge University Press, Cambridge 2007, ISBN 978-0-521-85790-1.
  • Sendker, Werner Bernhard: Die so unterschiedlichen Theorien von Raum und Zeit. Der transzendentale Idealismus Kants im Verh√§ltnis zur Relativit√§tstheorie Einsteins, Osnabr√ľck, 2000 ISBN 3-934366-33-3

sowie √úberblicksdarstellungen in den meisten Handb√ľchern zur Naturphilosophie, Philosophie der Physik und oft auch Wissenschaftstheorie

Film

  • Einsteins gro√üe Idee, Frankreich, Gro√übritannien 2005, ARTE F, Regie: Gary Johnstone. Das Drehbuch basiert auf dem Bestseller Bis Einstein kam von David Bodanis.

Weblinks

 Commons: Theory of relativity ‚Äď Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wikiquote: Albert Einstein ‚Äď Zitate
Wiktionary Wiktionary: Relativit√§tstheorie ‚Äď Bedeutungserkl√§rungen, Wortherkunft, Synonyme, √úbersetzungen
Wikibooks Wikibooks: Spezielle Relativit√§tstheorie I-V ‚Äď Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Lise Meitner und Otto Robert Frisch: ‚ÄěDisintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction‚Äú, in: Nature 143, 1939, S. 239‚Äď240.
  2. ‚ÜĎ C. A. Dickson und Bernard F. Schutz : ‚ÄěReassessment of the reported correlations between gravitational waves and neutrinos associated with SN 1987A‚Äú, in: Phys. Rev. D 51, 2644‚Äď2668 (1995). Online-Dokument


Dieser Artikel existiert auch als Audiodatei.
Dies ist ein als exzellent ausgezeichneter Artikel.
Dieser Artikel wurde am 18. September 2008 in dieser Version in die Liste der exzellenten Artikel aufgenommen.

Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen W√∂rterb√ľchern nach:

  • Relativit√§tstheorie ‚ÄĒ Re|la|ti|vi|t√§ts|the|o|rie ‚Ć©[ vi ] f. 19; unz.‚Ć™ von Einstein begr√ľndete Theorie zur m√∂glichst allgemeinen Beschreibung der Naturgesetze, aufgrund deren sich auch Raum u. Zeit relativ, d.¬†h. von der Wahl des Bezugssystems abh√§ngig, erweisen * * *… ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • Relativit√§tstheorie ‚ÄĒ reliatyvumo teorija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. relativity theory vok. Relativit√§tstheorie, f rus. —ā–Ķ–ĺ—Ä–ł—Ź –ĺ—ā–Ĺ–ĺ—Ā–ł—ā–Ķ–Ľ—Ć–Ĺ–ĺ—Ā—ā–ł, f pranc. th√©orie de la relativit√©, f ‚Ķ   Fizikos terminŇ≥ Ňĺodynas

  • Relativit√§tstheorie ‚ÄĒ Re|la|ti|vi|t√§ts|the|o|rie ‚Ć© [ vi ] f.; Gen.: ; Pl.: unz.‚Ć™ von A. Einstein formulierte Theorie, nach der Zeit u. Raum nicht unver√§nderlich, sondern vom Bezugssystem des jeweiligen Beobachters abh√§ngig sind u. bes. bei Ann√§herung an die… ‚Ķ   Lexikalische Deutsches W√∂rterbuch

  • Relativit√§tstheorie ‚ÄĒ Re|la|ti|vi|t√§ts|the|o|rie die; : von A. Einstein begr√ľndete physik. Theorie, nach der Raum, Zeit u. Masse vom Bewegungszustand eines Beobachters abh√§ngig u. deshalb relative (1) Gr√∂√üen sind (Phys.) ‚Ķ   Das gro√üe Fremdw√∂rterbuch

  • Relativit√§tstheorie ‚ÄĒ Re|la|ti|vi|t√§ts|the|o|rie, die; (von Einstein begr√ľndete physikalische Theorie) ‚Ķ   Die deutsche Rechtschreibung

  • Relativit√§tstheorie und die Einheit von Raum und Zeit ‚ÄĒ ¬† In der klassischen Mechanik gilt die Annahme, dass sowohl der dreidimensionale Raum als auch die Zeit vorgegebene und unab√§nderliche Ph√§nomene darstellen. Insbesondere Newton pr√§gte den Begriff des absoluten Raums und der absoluten Zeit, die… ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • Relativit√§tstheorie: Was ist Zeit und Raum? ‚ÄĒ ¬† Kaum eine wissenschaftliche Theorie ruft bis heute so viel Widerspruch hervor wie Albert Einsteins Relativit√§tstheorie. Schlie√ülich macht sie geradezu paradoxe Aussagen, die dem gesunden Menschenverstand v√∂llig zuwiderlaufen: Die Zeit vergeht… ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • Relativit√§tstheorie (Geschichte) ‚ÄĒ Unter der Geschichte der speziellen Relativit√§tstheorie versteht man die Entwicklung von empirischen und konzeptionellen Vorschl√§gen und Erkenntnissen innerhalb der theoretischen Physik. Diese Entwicklung wurde insbesondere von Hendrik Antoon… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Kritik an der Relativit√§tstheorie ‚ÄĒ von Albert Einstein wurde vor allem in den Jahren nach ihrer Ver√∂ffentlichung auf wissenschaftlicher, pseudowissenschaftlicher, philosophischer sowie ideologischer Ebene ge√§u√üert. Gr√ľnde f√ľr die Kritik waren beispielsweise eigene… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Spezielle Relativit√§tstheorie ‚ÄĒ Die spezielle Relativit√§tstheorie (kurz: SRT) ist eine physikalische Theorie √ľber Raum und Zeit. Sie verallgemeinert das galileische Relativit√§tsprinzip der klassischen Mechanik auf alle Gesetze der Physik. Dieses Prinzip besagt, dass in allen… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia


Share the article and excerpts

Direct link
… Do a right-click on the link above
and select ‚ÄúCopy Link‚ÄĚ

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.