Universität Hannover          Wintersemester 2001/02
Institut für Soziologie
Seminar:  Naturwissenschaft und Technik
Dozent:  Lutz Hieber
Referent:   Felix Tietje

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Moderne physikalische Theorie -
ein allgemeinverständliches Beispiel:

Die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie
Albert Einsteins

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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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2.2  Die allgemeine Relativitätstheorie

Die für den Alltagsverstand teilweise unfassbaren Effekte seiner Theorie bewegten Einstein dazu, die Eigenschaften der Gravitation hinsichtlich seines neuen Weltbildes zu untersuchen. Er brauchte mehrere Jahre, um zu erkennen, wie die Raumzeitgeometrie "seines" Universums vorzustellen ist. Nachdem Einstein Raum, Zeit, Masse und Energie neu definiert hatte, musste er Raumzeit nicht als völlig eben und geradlinig annehmen. Er erfand den Begriff der Raumkrümmung.

Newtons Theorie besagte, dass ein Körper, der in Bewegung ist, sich immer und ewig in diesem Zustand befinden wird, solange keine neue Kraft auf ihn einwirkt. Einstein erweiterte diesen Gedanken und postulierte, dass jeder Körper sich auf immer und ewig durch die vierdimensionale Raumzeit bewegen wird. Ein Körper, der nicht beschleunigt wird, schlägt automatisch den längsten Eigenweg mit der längsten Eigenzeit durch die Raumzeit ein. Eine Beschleunigung durch Antrieb oder Gravitation wird die Raumzeit verbiegen, und somit eine Zeitdilatation und eine Längenkontraktion hervorrufen.Ein Körper bewegt sich auf dem kürzesten Weg, der sogenannten Geodäte, durch die Raumzeit. Einstein definiert die Raumzeit als ein vierdimensionales Gebilde, das durch Masse gekrümmt wird.

Die Sonne ist eine Masse, die die Raumzeit um sich krümmt und so die Planeten um sich hält. Wird also ein Lichtquant im Schwerefeld der Sonne abgelenkt, so muss man nach Einstein diesen Effekt nicht als Wirkung einer Kraft verstehen. Das Lichtquant folgt nur dem durch die Masse der Sonne gekrümmten Raumverlauf.

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Eine Masse krümmt die vierdimensionale Raumzeit.
Der Weg eines Objektes B ist bestimmt durch die Geodäte auf dem Weg durch die gekrümmte Raumzeit.

Die Geodäte der Erde durch die Raumzeit entspricht also der Bahn um die Sonne. Somit wird die Gravitation durch Einsteins Theorie eine geometrische Eigenschaft des Universums.

Es fällt dem Menschen deshalb so schwer, Raum und Zeit als gleichberechtigte, miteinander verknüpfte Größen zu betrachten, weil wir kein Sinnesorgan für die Zeit besitzen und weil wir keine technischen Möglichkeiten haben, uns auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Albert Einstein war ein theoretischer Physiker. Die Relativitätstheorie entstand in seinen Ideen. Die Konsequenzen seiner Grundüberlegungen brachte er zu Papier und stützte sie mit mathematischen Berechnungen. Das Ergebnis der Berechnungen stimmte mit der Wirklichkeit überein - die Relativitätstheorie sagte Naturerscheinungen voraus, die inzwischen durch Experimente bestätigt wurden.

Die wichtigsten Konsequenzen noch einmal zusammengefasst:

  • Das Gesetz nach dem sich nichts schneller fortbewegen kann als das Licht
  • Die Äquivalenz von Masse und Energie, Einsteins berühmte Formel: E = m · c²
  • Zeitdilatation: Bewegte Uhren gehen langsamer (relativ zu der ruhenden)
  • Zeitdilatation 2: Eine Uhr im Schwerefeld (z.B. dem der Sonne) geht relativ zu einer baugleichen Uhr in der Schwerelosigkeit langsamer
  • Längenkontraktion: Vergleicht ein Beobachter z.B. ein vorbeifliegendes Lineal mit seinem ruhenden (gleichlangen) Lineal, so erscheint das bewegte verkürzt
  • Längenkontraktion 2: Längeneinheiten im Schwerefeld (z.B. dem der Sonne) sind relativ zu denen in der Schwerelosigkeit verkürzt
  • Lichtablenkung: Licht wird im unmittelbaren Schwerefeld (z.B. dem der Sonne) abgelenkt. Eine große Masse krümmt die Raumzeitmetrik. Diese Voraussage wurde 1919 bei einer totalen Sonnenfinsternis in Afrika experimentell bestätigt: Sterne, die sich räumlich betrachtet hinter der Sonne befinden sollten, wurden sichtbar.
  • Rot-Grün-Verschiebung: Bewegt sich ein Stern z.B. von der Erde weg, so erscheint sein Licht in den roten Bereich des Spektrums verschoben.


Astronomische Beobachtungen und die Erforschung des Verhaltens von Elementarteilchen am Rande der Lichtgeschwindigkeit in Teilchenbeschleunigern konnten Einsteins Relativitätstheorie wiederholt bestätigen.

Es gibt allerdings Konflikte mit einer anderen großen Theorie des 20. Jahrhunderts: der Quantentheorie. Einige Konsequenzen der Quantentheorie sind mit der Relativitätstheorie nicht vereinbar. Eine Überwindung dieser Konflikte und die Vereinigung dieser beiden großen physikalischen Theorien könnte theoretisch zur "Weltformel" führen. Ein Ansatz zur Vereinigung ist die Superstringtheorie, die Elementarteilchen als kleine Fäden beschreibt und zudem nicht bloß vier, sondern mindestens elf Dimensionen postuliert.

Eine Darstellung der Grundzüge der Quanten- und der Superstringtheorie kann hier nicht mehr geleistet werden. Die Quantenmechanik bezieht sich heute auf die Mikroebenen der Welt, während die Relativitätstheorie die makroskopischen Eigenschaften beschreibt. Eine Vereinigung dieser beiden Theorien würde das Große und das Kleine erklären können.

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3.  Literaturverzeichnis

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http://www.feliz.de/html/einstein3.htm