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100 Jahre Relativitätstheorie : Als Raum und Zeit sich plötzlich krümmten

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Albert Einstein formuliert am 14. Januar 1931 eine Feldgleichung für die Dichte der Milchstrasse am Carnegie-Institut im kalifornischen Pasadena. Bild: Picture-Alliance

Vor hundert Jahren formulierte Albert Einstein seine berühmten Feldgleichungen der Gravitation und vollendete damit sein zweites Lebenswerk: die Allgemeine Relativitätstheorie.  Wie kam es dazu?

          11 Min.

          Als Albert Einstein am 25. November 1915 vor die Königlich-Preußische Akademie der Wissenschaften zu Berlin trat, ahnten wohl nur wenige im Auditorium, dass er in seinem Vortrag „Die Feldgleichungen der Gravitation“ das physikalische Weltbild abermals auf den Kopf stellen würde. Dieser Vortrag vor hundert Jahren gilt als die Geburtsstunde einer der erfolgreichsten und zugleich ästhetisch ansprechendsten physikalischen Theorien aller Zeiten, der Allgemeinen Relativitätstheorie. Für den Physiker Max Born glich sie einem Kunstwerk, das man aus gebührendem Abstand genießen und bewundern sollte. Einsteins eröffnete mit seiner Theorie eine völlig neue Sichtweise auf die Gravitation, die älteste der bekannten Wechselwirkungen. War diese bei Newton noch die unmittelbar über beliebige Entfernungen wirkende Schwerkraft zwischen allen Massen, so hat sie sich bei Einstein zu einem rein geometrischen Effekt gewandelt. Es ist die Geometrie von Raum und Zeit, vereinigt zur vierdimensionalen Raumzeit, die wir als Gravitation erleben.

          Die Allgemeine Relativitätstheorie war das Ergebnis jahrelanger harter Arbeit. Zehn Jahre zuvor, in seinem Annus mirabilis 1905 war Einstein als neuer Stern am physikalischen Himmel erschienen. Damals noch Experte III. Klasse am Eidgenössischen Patentamt in Bern, legte er in vier Arbeiten die Grundlagen zu gleich drei neuen Gebieten der Physik, darunter die Spezielle Relativitätstheorie. Diese Theorie konnte die in den Jahrzehnten zuvor entstandene Elektrodynamik mit einem alten Prinzip versöhnen, das bereits Galileo Galilei eingeführt hatte - das Relativitätsprinzip. Dieses besagt, dass es völlig gleichgültig ist, ob man sich in einem ruhenden System oder einem dagegen gleichförmig, also mit konstanter Geschwindigkeit, bewegten System befindet. Galilei hat zur Veranschaulichung das Beispiel eines Schiffes bemüht, dessen Fahrgäste unter Deck nicht spüren, ob das Schiff vor Anker liegt oder fährt. Für mehr als zweihundert Jahre galt das Relativitätsprinzip als unumstrittener Bestandteil der Physik. Das änderte sich, als der schottische Physiker James Clerk Maxwell um 1865 seine Gleichungen der Elektrodynamik präsentierte. Mit diesen Gleichungen konnten optische, elektrische und magnetische Phänomene einheitlich beschrieben werden. Maxwells Gleichungen schienen aber nur in einem bestimmten System zu gelten, das in Bezug auf einen alles durchdringenden Äther ruht. Die Fahrgäste in Galileis Schiff könnten dann mit elektrodynamischen Experimenten feststellen, ob das Schiff ruht oder nicht, ohne auf Deck zu gehen.

          Längst ein berühmter Wissenschaftler: Einstein, 1919 in Berlin Bilderstrecke
          Forscher : Albert Einstein

          Raum und Zeit verlieren ihre alte Bedeutung

          Albert Einstein ließ dieser Konflikt keine Ruhe. Er konnte 1905 zeigen, dass das Relativitätsprinzip sehr wohl mit der Elektrodynamik vereinbar ist, wenn man es um ein Postulat erweitert: um das Postulat von der konstanten Lichtgeschwindigkeit, die unabhängig vom Bewegungszustand ist. Licht ist also immer gleich schnell; man kann es nie einholen, sosehr man sich auch bemüht. Das Ergebnis von Einsteins Überlegungen war die Spezielle Relativitätstheorie.

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