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100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie

Vor hundert Jahren veröffentlichte Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie. Darin beschreibt er die Gravitation über die Krümmung der Raumzeit. Mit ihr konnten etliche physikalische Phänomene vorhergesagt werden.

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Albert Einstein

(Bild: Albert Einstein, 1921, Fotografie von Ferdinand Schmutzer)

Albert Einstein legte vor hundert Jahren der Königlich-Preussischen Akademie der Wissenschaften seinen abschließenden Aufsatz zur Allgemeinen Relativitätstheorie vor. Diese beschreibt die Wechselwirkung von Körpern über die Gravitation – wie auch Newtons Gravitationsgesetz. Im Gegensatz zu letzterem beschreibt Einsteins Theorie die Schwerkraftfeld jedoch mit der Krümmung der Raumzeit und bleibt auch bei sehr großen Massen korrekt.

Im Sitzungsbericht der physikalisch-mathematischen Klasse der Königlich-Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin standen für den 25. November 1915 genau zwei Punkte. Zuerst las der Bauingenieur Hermann Zimmermann über die Bewegung eines geworfenen Körpers im widerstehenden Mittel, danach überreichte der Physiker Albert Einstein dem Gremium eine Mitteilung über „Die Feldgleichungen der Gravitation“, also vermutlich die Sonderdrucke für die anwesenden Akademie-Mitglieder.

Dreieinhalb Seiten Text mit zehn Gleichungen schlossen eine jahrelange Denkanstrengung ab, die mit einer einfachen Erkenntnis begann: Ein Beobachter, der in einem undurchsichtigen Kasten schwebt, kann nicht durch Messinstrumente im Inneren ermitteln, ob der Kasten in einem Schwerefeld frei fällt oder weit entfernt von Körpern ist, die eine Schwerkraft ausüben könnten.

Aus dieser Idee entwickelte Einstein eine völlig neue Theorie des Raumes und der Zeit: die Allgemeine Relativitätstheorie. Sie setzt seine 1905 publizierte Spezielle Relativitätstheorie fort und enthält vor allem eine neue Deutung der Gravitation. Während die klassische Physik Gravitation als gegenseitige Anziehung von Massen beschreibt, sieht Einstein sie als Wechselwirkung zwischen der Materie und der vierdimensionalen Raumzeit.

Materie verursacht eine Krümmung der Raumzeit. Innerhalb dieser gekrümmten Raumzeit bewegt sich Materie auf den sogenannten Geodäten, den kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten. Ohne die Krümmung wären die Geodäten einfache Geraden im dreidimensionalen Raum. Um die Krümmung zu erläutern, verwenden Lehrbücher oft Vertiefungen in einem Gummituch zur Illustration, an deren Rändern Lichtstrahlen gebeugt werden. In dem Bild sieht man jedoch nur eine Momentaufnahme der Änderung im Raum. Klarer kann die Idee von Einsteins Geodäten ein Video veranschaulichen.

Veranschaulichung von Einsteins Geodäten. In dem Modell gibt es nur eine Raumdimension. Das punktförmige Objekt bewegt sich durch eine Linienwelt.

Unter anderem sagt die Allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass die Sonne einen Lichtstrahl, der von einem Fixstern ausgeht, um 1,7 Bogensekunden ablenkt. Den Wert konnten englische Astronomen anhand von Fotos der totalen Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919 bestätigen. Nach Bekanntgabe ihrer Resultate im November des Jahres war Albert Einstein ein Superstar der Physik und, wie eine Berliner Illustrierte am 14. Dezember 1919 schrieb, „Eine neue Größe der Weltgeschichte“.

Seine Lehre wurde zur Basis der modernen Kosmologie. Mit ihrer Hilfe erklären Physiker Phänomene wie den Urknall, die Expansion des Kosmos, Schwarze Löcher, Gravitationslinsen und Gravitationswellen. Sie findet aber auch in alltäglichen Objekten wie Navigationssystemen Verwendung, denn die Sender der GPS-Satelliten müssen die Zeitdilatation, die sich aus der Relativitätstheorie ergibt, berücksichtigen: In größerer Entfernung von einer Masse laufen Uhren schneller.

In Berlin, dem Ort von Albert Einsteins Schöpfung, findet nächste Woche eine große Konferenz "A Century of General Relativity" statt. Bereits am Mittwoch-Abend sprechen darüber Hollywood-Physiker Kip Thorne in der Freien Universität – Anmeldung auf der Homepage erwünscht – und sein Heidelberger Kollege Markus Pössel im Planetarium am Insulaner. In der Berliner Urania startet außerdem die multimediale Ausstellung "Einstein inside". (Ralf Bülow) / (jab)

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