16 Relativitästheorie

In einem früheren Teil dieses Buches haben wir uns mit dem Elektromagnetismus und seinen Anwendungen beschäftigt. Die Gleichungen von Maxwell (13.11) Ende des 19. Jahrhunderts führten aber gleichzeitig zu verwirrenden Fragen und Widersprüchen. Die Relativitätstheorie von Albert Einstein (Bild 16.1) konnte diese Widersprüche auflösen.

Albert Einstein

Bild 16.1: Albert Einstein

Die Relativitätstheorie ist eigentlich eine neue Formulierung der Mechanik, ihre Erkenntnisse betreffen aber alle Zweige der Physik. Sie besteht aus zwei Teilen:

  • Die spezielle Relativitätstheorie (kurz SRT) wurde von Albert Einstein wurde 1905 unter dem unscheinbaren Namen „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ veröffentlicht. Diesen 31 Seiten umfassende Artikel schrieb er innerhalb weniger Monate, während er eine volle Anstellung am Berner Patentamt inne hatte. Darin beschränkt er sich auf die Beschreibung von den Verhältnissen zwischen zwei unbeschleunigten Bezugssystemen (Inertialsysteme), daher der Zusatz speziell.

  • In der allgemeine Relativitätstheorie (kurz ART) verallgemeinert Albert Einstein seine Theorie so weit, dass sie für jedes beliebige Bezugssystem (beschleunigt und unbeschleunigt) anwendbar ist. Das erwies sich als sehr schwierig. Er benötigte dafür weitere zehn Jahre und veröffentlichte sie erst 1916.

Eine physikalische Theorie muss immer einer experimentellen Prüfung standhalten. Die Effekte der Relativitätstheorie machen sich aber nur bei extrem großen Geschwindigkeiten oder in der Nähe von sehr massenreichen Objekten bemerkbar. Sie bleiben uns im Alltag fast immer verborgen. Daher konnten die Vorhersagen der Relativitätstheorie oft erst Jahre oder sogar Jahrzehnte später experimentell überprüft werden, nachdem sich die Messmethoden verfeinert hatten. Eine der letzten großen Vorhersagen – die Existenz von Gravitationswellen – konnte sogar erst 2017 (also hundert Jahre später!) nachgewiesen werden.

Woher hat die Relativitätstheorie ihren Namen? Zwar gibt es auch in der klassischen Physik relative Aussagen und Begriffe (3.15), aber die Relativitätstheorie zeigt uns, dass auch Begriffe wie Zeit und Länge relative Begriffe sind – Begriffe, die jahrhundertelang als absolut vorausgesetzt wurden. Vielleicht hast du schon einmal die scherzhafte Zusammenfassung der Relativitätstheorie „Alles ist relativ“ gehört. Aber das stimmt so nicht. Du wirst sehen, dass es auch in der Relativitätstheorie Begriffe gibt, die absolut sind. Zum Beispiel der Raum-Zeit-Abstand (16.3.7) oder die Energie-Impuls-Beziehung (16.6.3).

Die in der Relativitätstheorie beschriebenen Effekte spielen für deinen Alltag zwar kaum eine Rolle, aber sie hat unser Verständnis von Raum, Zeit und Gravitation radikal verändert (und die Fantasie von Science-Fiction Autorinnen und Autoren beflügelt)! Vieles in der Natur, das du als „logisch“ und „selbstverständlich“ angenommen hast, wird sich als Trugbild herausstellen.