Inhaltsübersicht

1.  Zur Person Albert Einstein (1879-1955)             Seite 1

2.  Die Relativitätstheorie                                          Seite 1
        2.1   Die spezielle Relativitätstheorie              > Seite 2 <
        2.2   Die allgemeine Relativitätstheorie              Seite 3

3.  Literaturverzeichnis                                             Seite 3

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2.1  Die spezielle Relativitätstheorie

Der Begründer der klassischen Mechanik, Isaac Newton, formulierte die Gravitationslehre, die ihre Gültigkeit bis heute beibehalten hat. Ein Apfel fällt vom Baum, weil die Erde den Apfel anzieht. Der Mond verschwindet nicht in den Weiten des Alls, weil die Erde ihn anzieht; die Fliehkraft des Mondes bei der Bewegung um die Erde verhindert seinen Absturz. Die Gravitation ist nach Newton eine anziehende Kraft, die proportional der Masse der beteiligten Körper zunimmt und im Quadrat der Entfernung abnimmt.

In der Zeit vor Einstein nahm man einen absoluten Raum und eine absolute Zeit an. Newton bezeichnete das Universum als einen absoluten Raum, der für sich allein vorhanden ist und ohne Bezug auf irgendeinen Gegenstand existiert. Dieser Weltraum wurde unendlich groß gedacht und mit unendlich vielen Sternen besetzt. Dies musste in Newtons Theorie so sein, um ein Zusammenfallen des Raumes auszuschließen: In einem endlichen Raum würden die Gravitationskräfte der Gestirne die gesamte darin enthaltene Masse an einem Punkt zusammenziehen.

Genauso betrachtete Newton die Zeit als absolute Zeit im absoluten Raum: Sie ist unbeeinflusst von Gegenständen und deren Bewegung. Unter einer absoluten Zeit kann man sich folgendes vorstellen: Alle Uhren gleicher Bauweise gehen überall im Weltraum und für jeden Beobachter gleich schnell. Einsteins Theorie führt jedoch zu der Konsequenz: Der Gang einer Uhr ist von ihrem Bewegungszustand oder dem Schwerefeld eines Himmelskörpers abhängig.

Nach Newtons Vorstellung sind innerhalb des absoluten Raumes bewegliche Teile enthalten, die er als relative Räume bezeichnete. Mit Hilfe der relativen Räume konnte man Bezugssysteme bilden und damit Naturvorgänge beschreiben. Eine besondere Form von Bezugssystemen stellen die Inertialsysteme dar. Dies sind geschlossene Bezugs- oder Koordinatensysteme, in denen sich ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ohne von außen hinzukommende Kräfte (also auch Körper mit der Geschwindigkeit 0, im Ruhezustand). Für diese Systeme gelten bestimmte Gesetzmäßigkeiten, z.B. das Trägheitsprinzip.

Eine zentrale Aussage der galilei-newtonschen Mechanik ist das Relativitätsprinzip der Mechanik. Es besagt, dass alle konstanten Geschwindigkeiten relativ sind, es gibt kein absolutes Bezugssystem, das einem erlauben würde, eine Geschwindigkeit absolut festzulegen. Die gleichförmige Bewegung eines Körpers kann niemals absolut, sondern immer nur in Bezug eines anderen Körpers festgestellt werden. Wenn also ein Zug sich räumlich von einem Bahnhof entfernt, spielt es im Ergebnis keine Rolle, ob man annimmt, dass sich der Zug bewegt und der Bahnhof am selben Ort bleibt (der Zug bewegt sich relativ zum Bahndamm) oder ob der Zug konstant ist und der Bahnhof sich bewegt (der Bahndamm bewegt sich relativ zum Zug).

Das newtonsche Weltbild behielt viele Jahre lang seine Gültigkeit. Man begann, sich Gedanken über die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen zu machen, insbesondere der Eigenschaften des Lichts. Man stellte sich vor, dass das Licht eine Welle ist, wie der Schall, und ein Medium zur Ausbreitung benötigte: den Äther. Äther wurde hypothetisch als eine sehr feine, dünne Substanz gedacht, die den gesamten, absoluten Raum (also auch ein erzeugtes Vakuum) ausfüllt. Durch immer genauere Versuche und Messungen erkannte man, dass das Licht nicht unendlich schnell ist, sondern sich mit einer sehr hohen, aber endlichen Geschwindigkeit durch Anregung des Äthers fortpflanzt. 1801 bestätigte Thomas Young experimentell die Welleneigenschaft von Licht mit seinem Doppelspaltversuch. Die Interferenzeigenschaften des Lichtes wurden entdeckt.

Die Lichtgeschwindigkeit wurde jedoch noch nicht als Konstante gesehen. Erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts gab es an der Äthertheorie erste Zweifel. Als die Messungen der Lichtgeschwindigkeit immer genauere Ergebnisse lieferten, und sie schließlich als konstant angesehen werden musste, gerieten diese Vorstellungen ins Wanken.

Die Wurzeln der speziellen Relativitätstheorie liegen in einem Widerspruch zwischen dem Relativitätsprinzip der Mechanik und der Maxwellschen Theorie der Elektrodynamik:

Maxwell entwickelte zwischen 1864 und 1865 die Theorie der Elektrodynamik – die berühmten Maxwellschen Gleichungen. Diese Gleichungen zur Beschreibung elektrischer und magnetischer Felder haben die Eigenart, dass sie ihre Form unabhängig vom gewählten Bezugssystem beibehalten. Die vier Gleichungen (Einstein machte daraus später zwei Gleichungen, da er Raum und Zeit zu einer Einheit zusammenfasste) vereinheitlichen elektrische und magnetische Felder und ergeben als wesentliche Konsequenz, dass sich die elektromagnetischen Wellen des Lichtes mit konstanter Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Nach der newtonschen Theorie der Mechanik sollte jedoch die Lichtgeschwindigkeit keineswegs konstant sein. Hierzu zwei Beispiele: Das erste Beispiel handelt von zwei Steinwürfen: Beim ersten Wurf wird der Stein aus dem Stand geworfen, beim zweiten Mal schleudert ihn der Werfer aus einem fahrenden Auto heraus. Im zweiten Fall fliegt der Stein mit der Geschwindigkeit des Wagens plus der Wurfgeschwindigkeit.

Nun übertragen wir dieses Beispiel auf die Geschwindigkeit von Licht: In diesem Beispiel nehmen wir zwei Lampen (L und L'). Lampe L' bewegt sich gegenüber Lampe L mit der Geschwindigkeit v. Der Beobachter befindet sich relativ zur Lampe L in Ruhe. Der Beobachter sollte nun nach der klassischen Theorie der Mechanik zwei unterschiedliche Lichtgeschwindigkeiten messen (c und c'): Wäre die Lichtgeschwindigkeit der Lampe L = c, dann sollte die Lichtgeschwindigkeit von L' nach Newton und Galilei  c' = c + v  sein.

Die klassische Mechanik vor Einstein stand also im Widerspruch zu der Maxwellschen Theorie.

Dieser Sachverhalt wurde 1887 durch das amerikanische Michelson-Morley-Experiment bestätigt: Der Physiker Edward Morley bestimmte mit Hilfe eines Interferometers, das der Physiker Albert Michelson entwickelt hatte, die Lichtgeschwindigkeit mit einer besonders hohen Genauigkeit.

Da sich das Licht (nach damaligen Vorstellungen) durch den Äther bewegt, muss die Geschwindigkeit des Lichtes von der Bahnrichtung der Erde abhängen. Das Michelson-Morley-Experiment sollte nun genau bestimmen, mit welcher Relativgeschwindigkeit sich die Erde durch den Äther bewegt. Mit Hilfe dieser sehr empfindlichen Interferenzversuche hätten Geschwindigkeitsunterschiede des Lichtes festgestellt werden sollen - es wurde jedoch nachgewiesen, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist.

Man nutzte für das Experiment die Bewegung der Erde aus, indem man das Licht einmal in Bewegungsrichtung der Erde und einmal entgegengesetzt laufen ließ. Die Erde bewegt sich mit etwa 30 km/s um die Sonne. Diese Bewegung hätte zur Folge, dass die Lichtgeschwindigkeit, gemessen einmal zur Bahnrichtung und ein anderes Mal gegen die Bahnrichtung, um den Betrag von 30 km/s variieren müsste. Die von einer Lichtquelle ausgesandten Strahlen werden von einer halb verspiegelten Glasplatte in zwei Teilbündel aufgespalten. Jedes Teilbündel durchläuft einen Strahlengang, wobei ein Strahlengang parallel und der andere senkrecht zur Bewegungsrichtung der Erde steht. Diese Arme des Interferometers sind beide gleich lang. Am Ende des jeweiligen Strahlenganges werden die Teilbündel durch Spiegel reflektiert und gelangen über die halb verspiegelte Platte zur Überlagerung. Das dabei entstehende Interferenzmuster lässt sich über ein Fernrohr beobachten. Nach den Vorstellungen der beiden Physiker Michelson und Morley sollten dabei unterschiedliche Laufzeiten der reflektierten Strahlenbündel auftreten, die Interferenzmuster sollten zueinander verschoben sein. Im ersten Fall müsste die Lichtgeschwindigkeit um die Geschwindigkeit der Erde erhöht sein, im zweiten erniedrigt. Das Versuchsergebnis war negativ; eine Bewegung der Erde durch den Äther war nicht nachzuweisen. Das Ergebnis ließ den Schluss zu, dass es einen ruhenden Äther, wie ihn die Hypothese von Newton forderte, überhaupt nicht gibt. Zumindest aber war damit bewiesen, dass sich Licht auf der Erde in allen Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreitet.

Das Michelson-Morley-Experiment

Dieses Experiment diente als historische Grundlage der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein. Er postulierte 1905: Die Naturgesetze der Wissenschaft müssen für alle Beobachter in gleicher Weise gelten, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegen. Er nahm in seiner Theorie an, dass es im gesamten Universum nur konstante Geschwindigkeiten relativ zueinander gibt. Das traf schon auf Newtons Gesetze der Mechanik zu, doch Einstein dehnte das Prinzip auch auf Maxwells Theorie und die Lichtgeschwindigkeit aus: Alle Beobachter müssen die konstante Lichtgeschwindigkeit messen, wie schnell auch immer sie sich bewegen.

Für das obige Lampenbeispiel bedeutet dies: Egal aus welchem Bewegungszustand das Licht “abgefeuert” wird, es bewegt sich immer mit derselben Lichtgeschwindigkeit c durchs Vakuum.

Die Lichtgeschwindigkeit wird heute mit c = 299 792 458 m/s im Vakuum angegeben. Sie ist eine Konstante, unabhängig vom Bewegungszustand des Beobachters, d.h. jeder Beobachter, egal wie schnell er sich bewegt, wird die gleiche Lichtgeschwindigkeit messen. Dies klingt paradox und entspricht nicht unserer alltäglichen, mechanischen Vorstellung von Geschwindigkeiten. Die Messung der konstanten Lichtgeschwindigkeit zieht einige logische Konsequenzen mit sich, die das Weltbild damaliger Physiker stark erschütterte und der newtonschen Zeit- und Raumvorstellung ein Ende machte.

Geschwindigkeit ist ein Bewegungszustand, der einen zurückgelegten Weg in einer bestimmten Zeit darstellt. Wir haben also den Maßstab Zeit und den Maßstab Weg. Kombiniert man die beiden Maßstäbe mit einer konstanten Lichtgeschwindigkeit, kommt man zu der Erkenntnis, dass die Zeit und der Raum für jeden Beobachter eine eigene Skala besitzt, je nach Bewegungszustand des Beobachters.

Der Raum und die Zeit verlieren damit ihre Absolutheit. Raum und Zeit müssen in der Vorstellung gedehnt und gestaucht werden, so dass die Lichtgeschwindigkeit in der Rechnung immer gleich ist. Raum und Zeit sind nicht mehr voneinander getrennt zu betrachten, sie werden kombiniert zur vierdimensionalen Raumzeit.

Bezogen auf das obige Lampenbeispiel: Wenn man bei der ruhenden Lampe L = c  misst, bei der bewegten Lampe L' aber auch die Konstante c, muss die vierdimensionale Raumzeit modifiziert werden, damit das Gesamtsystem stimmig bleibt. Die Zeit der bewegten Lampe läuft langsamer, als die der ruhenden.

Diese ungewohnte Vorstellung von Einstein traf natürlich zuerst auf Widerstand. Er stellte mit der Theorie ein komplettes Weltbild in Frage, indem er sagte, Raum und Zeit sind für jeden Beobachter ausschließlich relativ zu betrachten, je nach Bewegungszustand.

Alltäglich zu empfinden ist diese Relativität jedoch nicht, da die relativistischen Effekte der Zeitverlangsamung ("Zeitdilatation") und Streckenverkürzung ("Längenkontraktion") erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten für uns messbar werden, also in Maßstäben auftreten, die wir mit unseren eingeschränkten Sinnen nicht spüren können. Selbst wenn sich die Lampe aus dem obigen Beispiel mit 30 000 km/s bewegen würde (also 10 % der Lichtgeschwindigkeit), würde die Zeit nur unmerklich langsamer laufen: Würde die ruhende Lampe 60 Minuten stehen, wäre die bewegte nur Lampe 59 Minuten und 42 Sekunden gealtert.

Einstein bringt in der speziellen Relativitätstheorie nun noch eine weitere Größe mit ins Spiel: die Masse. Masse ist wie Raum und Zeit ebenfalls keine absolute Größe, sondern relativ.

Hierzu ein weiteres Beispiel einer Gewehrkugel, die auf ein Stück Holz geschossen wird. Die Kugel trifft mit einer hohen Geschwindigkeit auf. Die Verformung des Holzes hängt von der Bewegungsenergie der Kugel ab.

Nach der newtonschen Mechanik ist die Energie der Kugel = 0,5 · m · v² . Die Energie der Kugel steigt proportional mit ihrer Masse und im Quadrat ihrer Geschwindigkeit. Dieses Gesetz ist für niedrige Alltagsgeschwindigkeiten haltbar. Bewegt sich die Kugel jedoch mit einer Geschwindigkeit, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommt, verhält es sich anders: Die Masse der Kugel muss mit zunehmender Geschwindigkeit größer angenommen werden, da die Lichtgeschwindigkeit ja konstant ist. Als ruhender Beobachter sähen wir wegen der Zeitdilatation die Kugel langsamer einschlagen, als ein Beobachter, der sich mit hoher Geschwindigkeit auf das Brett zubewegen würde. Die Kugel wird für beide Beobachter gleich tief in das Brett eindringen, obwohl die Kugel unterschiedlich schnell zu sein scheint. Der ruhende Beobachter muss von einer höheren Masse der Kugel ausgehen, um die gleiche Bewegungsenergie zu erhalten, die das Brett durchbohrt.

Die Massenzunahme bei hoher Geschwindigkeit verhindert zusätzlich, dass irgendein Gegenstand die Lichtgeschwindigkeit erreicht, oder sie übertrifft. Mit zunehmender Masse muss für jede weitere Beschleunigung mehr Energie aufgewandt werden. Die zugeführte Energie bewirkt eine weitere Massenzunahme. Je näher man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto höher sind die eingesetzten Energien und Massenzunahmen, so dass man rechnerisch für das Erreichen der Lichtgeschwindigkeit eine unendlich hohe Energie und eine unendlich hohe Masse erhält. Objekte mit einer Ruhemasse werden die Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen.

Einstein hat mit seiner Theorie nicht nur Raum und Zeit miteinander verknüpft, sondern gleichzeitig die Masse mit der Energie. Die Äquivalenz von Masse und Energie kommt in Einsteins berühmter Formel zum Ausdruck:  E = m · c² . Diese Formel ist also nichts anderes als die Umrechnung von Masse in Energie. Masse ist nach Einstein "gefrorene" Energie.

Die Annahme einer konstanten Lichtgeschwindigkeit c halt also enorme Konsequenzen für die Vorstellungen von Raum, Zeit und Masse bzw. Energie. Für unser Alltagsempfinden erscheinen diese Konsequenzen ungewöhnlich. Da die relativistischen Effekte jedoch erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten messbar auftreten, baut unsere Mechanik noch immer weitgehend auf Newtons Gravitationslehre. Ein Architekt wird schließlich auch nicht die Erdkrümmung bei der Planung eines Hauses berücksichtigen, obwohl schon lange bekannt ist, dass die Erde kugelförmig ist. Und obwohl wir alle wissen, dass die Erde um die Sonne kreist, sprechen wir noch immer vom "Sonnenaufgang".

Alles ist relativ.

Wenn nun aber alles relativ ist, wie kann man überhaupt noch eine zutreffende Aussage über irgendetwas machen? Einsteins Lösung klingt einfach: Es ist immer möglich ein lokales Inertialsystem zu schaffen (also einen “freien Fall”), das eine Vergleichsmöglichkeit zu einem Nicht-Inertialsystem bietet. Der Begriff einer absoluten Raum-Zeit-Angabe ist sinnlos.

http://www.feliz.de/html/einstein2.htm