Dieser Artikel wurde von David Lyth von der Universität Lancaster verfasst und ursprünglich von The Conversation veröffentlicht.

Die Schwerkraft bindet unsere Körper an den Planeten Erde, aber sie definiert nicht die Grenzen des aufsteigenden menschlichen Geistes. Im November 1915 – vor genau einem Jahrhundert – wurde dies bewiesen, als Albert Einstein in einer Reihe von Vorlesungen an der Preußischen Akademie der Wissenschaften eine Theorie vorstellte, die unsere Sichtweise der Schwerkraft – und der Physik selbst – revolutionieren sollte. Zwei Jahrhunderte lang schien Newtons bemerkenswert einfache und elegante Theorie der universellen Gravitation die Sache gut zu erklären. Aber wie es in der Physik immer mehr der Fall ist, reicht einfach nicht mehr aus.

Einsteins Ausgangspunkt für die allgemeine Relativitätstheorie war seine 1905 veröffentlichte spezielle Relativitätstheorie. Diese erklärte, wie die physikalischen Gesetze in Abwesenheit der Schwerkraft zu formulieren sind. Im Mittelpunkt beider Theorien steht eine Beschreibung von Raum und Zeit, die sich von derjenigen unterscheidet, die der gesunde Menschenverstand nahelegen würde.

Die Theorien erklären, wie Bewegungen zwischen verschiedenen Orten zu interpretieren sind, die sich mit konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander bewegen – und nicht relativ zu einer Art absolutem Äther (wie Newton angenommen hatte). Obwohl die physikalischen Gesetze universell sind, werden verschiedene Betrachter den Zeitpunkt von Ereignissen unterschiedlich wahrnehmen, je nachdem, wie schnell sie sich bewegen. Ein Ereignis, das von der Erde aus gesehen 1.000 Jahre zu dauern scheint, kann für jemanden in einem Raumschiff, das mit großer Geschwindigkeit unterwegs ist, nur eine Sekunde dauern.

Im Zentrum von Einsteins Theorien steht die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Bewegung des Beobachters ist, der die Geschwindigkeit misst. Das ist seltsam, denn der gesunde Menschenverstand sagt einem, dass ein vorbeifahrender Zug, wenn man in seinem Auto neben einem Bahngleis sitzt, sich viel schneller zu bewegen scheint, als wenn man ihm in die gleiche Richtung folgt.

Sitzt man aber stattdessen und beobachtet einen vorbeifahrenden Lichtstrahl, so bewegt er sich gleich schnell, unabhängig davon, ob man ihm folgt oder nicht – ein klarer Hinweis darauf, dass mit dem gesunden Menschenverstand etwas nicht stimmt.

Die Implikation dieser Theorie ist, dass wir die Vorstellung aufgeben müssen, dass es eine universelle Zeit gibt, und akzeptieren müssen, dass die von einer Uhr registrierte Zeit von ihrer Flugbahn abhängt, während sie sich durch das Universum bewegt. Das bedeutet auch, dass die Zeit langsamer vergeht, wenn man sich schnell bewegt, was bedeutet, dass ein Zwilling, der ins Weltall fliegt, langsamer altert als sein Geschwister auf der Erde.

Dieses “Zwillingsparadoxon” mag wie eine mathematische Eigenart erscheinen, wurde jedoch 1971 in einem Experiment mit Atomuhren auf kommerziellen Flügen experimentell verifiziert.

Die spezielle Relativitätstheorie funktioniert nur für Inertialsysteme, die sich relativ zueinander bewegen, wenn sie sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen – sie kann nicht beschreiben, was passiert, wenn sie sich beschleunigen. Einstein fragte sich, wie man sie erweitern könnte, um eine solche Beschleunigung einzubeziehen und die Schwerkraft zu berücksichtigen, die eine Beschleunigung verursacht und schließlich überall vorhanden ist.

Er erkannte, dass die Wirkung der Schwerkraft verschwindet, wenn man nicht versucht, sie zu überwinden. Er stellte sich Menschen in einem Aufzug vor, dessen Kabel im freien Fall gerissen war, und rechnete aus, dass die Menschen die Schwerkraft nicht spüren würden, da die Objekte entweder bewegungslos oder mit konstanter Geschwindigkeit schweben würden. Heute wissen wir, dass dies stimmt, denn wir haben es selbst bei Menschen auf der internationalen Raumstation gesehen. In beiden Fällen gibt es keine Kräfte, die der Wirkung der Schwerkraft entgegenwirken, und die Menschen spüren keine Schwerkraft.

Gekrümmte Raumzeit. Mopic

Einstein erkannte auch, dass die Wirkung der Schwerkraft dieselbe ist wie die Wirkung der Beschleunigung; wenn man mit hoher Geschwindigkeit losfährt, wird man zurückgestoßen, so als ob die Schwerkraft einen ziehen würde. Diese beiden Anhaltspunkte führten Einstein zur allgemeinen Relativitätstheorie. Während Newton die Schwerkraft als eine Kraft betrachtete, die sich zwischen Körpern ausbreitet, beschrieb Einstein sie als Pseudokraft, die erfahren wird, weil sich das gesamte verwobene Gefüge von Raum und Zeit um ein massives Objekt herum krümmt.

Einstein selbst sagte, sein Weg sei alles andere als einfach gewesen. Er schrieb: “In meinem ganzen Leben habe ich nicht annähernd so hart gearbeitet, und ich habe großen Respekt vor der Mathematik gewonnen, deren subtileren Teil ich in meiner Einfalt bis jetzt als reinen Luxus betrachtet hatte”.

Die Beweise

Sobald Einstein die allgemeine Relativitätstheorie entdeckte, erkannte er, dass sie das Scheitern der Newtonschen Theorie bei der Erklärung der Merkurbahn erklärt. Die Umlaufbahn ist nicht ganz kreisförmig, was bedeutet, dass es einen Punkt gibt, an dem er der Sonne am nächsten ist. Newtons Theorie sagt voraus, dass dieser Punkt fest ist, aber die Beobachtung zeigt, dass er sich langsam um die Sonne dreht, und Einstein fand heraus, dass die allgemeine Relativitätstheorie diese Drehung korrekt beschreibt.

“Ich war außer mir vor freudiger Erregung”, schrieb er ein paar Monate später. Seitdem hat die allgemeine Relativitätstheorie viele Beobachtungstests mit Bravour bestanden.

Sie verwenden die allgemeine Relativitätstheorie, wenn Sie das GPS-System benutzen, um Ihre Position auf der Erdoberfläche zu bestimmen. Dieses System sendet Funksignale von 24 Satelliten aus, und der GPS-Empfänger in Ihrem Telefon oder Auto analysiert drei oder mehr dieser Signale, um Ihre Position mit Hilfe der allgemeinen Relativitätstheorie zu bestimmen. Hätten Sie die Newtonsche Theorie verwendet, hätte das GPS-System die falsche Position angegeben.

Aber während die allgemeine Relativitätstheorie gut funktioniert, um die physikalische Welt in großen Maßstäben zu beschreiben, hat sich die Quantenmechanik als die erfolgreichste Theorie für winzige Teilchen wie die, aus denen ein Atom besteht, erwiesen. Genau wie die Relativitätstheorien ist auch die Quantenmechanik nicht intuitiv. Ob es möglich ist, beide zu vereinen, bleibt abzuwarten, aber es ist unwahrscheinlich, dass dadurch der gesunde Menschenverstand in die Physik zurückkehrt.

David Lyth, emeritierter Professor für Physik an der Lancaster University.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.