Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Shortform zu „Eine kurze Geschichte der Zeit“ von Stephen Hawking. Shortform die weltweit besten Zusammenfassungen und Analysen von Büchern, die Sie lesen sollten.
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Was ist die Relativitätstheorie? Welche Phänomene versucht die Theorie zu erklären? Wie hat sie unser Verständnis der Funktionsweise unseres Universums revolutioniert?
In Einsteins Relativitätstheorie gibt es eigentlich zwei Theorien: die spezielle Relativitätstheorie und die allgemeine Relativitätstheorie. Die erstere gilt für alle physikalischen Phänomene ohne Berücksichtigung der Schwerkraft, während die letztere die Gravitationskraft im Verhältnis zu den anderen Kräften des Universums erklärt.
Erfahren Sie mehr über Albert Einsteins Relativitätstheorie, die in einfachen Worten erklärt wird.
Albert Einsteins Relativitätstheorie
Einsteins Relativitätstheorie trug wesentlich zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Lichtgeschwindigkeit und Zeitablauf bei. Aber es fehlte noch ein entscheidendes Element – die Schwerkraft. Gravitationelle Effekte sollten unmittelbar sein, was bedeutet, dass sich die Schwerkraft mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreitet (es sollte keine Zeit vergehen, bis die Schwerkraft ihre Wirkung entfaltet). Aber wie lässt sich dies mit der Vorstellung vereinbaren, dass nichts schneller als Licht sein kann?
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die 1916 vorgeschlagen wurde, erklärte, dass die Schwerkraft eine besondere Kraft sei, die aufgrund der Krümmung der Raumzeit selbst existiere. Nach dieser Theorie ist die Raumzeit nicht flach. Daher bewegen sich umkreisende Körper auf Geodäten – der kürzesten Entfernung zwischen zwei Punkten. Diese kommt einer geraden Linie am nächsten. Somit folgt die Erde tatsächlich einer linearen Bahn durch die vierdimensionale Raumzeit, aber für uns sieht sie wie eine elliptische Umlaufbahn aus.
Die Masse und Energie von Körpern wie der Sonne krümmen tatsächlich die Struktur der Raumzeit selbst und verursachen dadurch leichte Abweichungen in den „elliptischen“ Umlaufbahnen, Abweichungen, die mit Newtons Theorie nicht vollständig erklärt werden konnten. Dies lässt sich mit einem Gegenstand vergleichen, der auf ein gespanntes Stück Stoff gelegt wird. Das Gewicht dieses Gegenstands bewirkt, dass der Stoff einsinkt – dies ist derselbe Mechanismus, durch den die Schwerkraft die Krümmung der Raumzeit verzerrt.
Eine gute Theorie zeichnet sich dadurch aus, dass sie die beobachtete Realität beschreibt und zuverlässige und genaue Vorhersagen über die Zukunft trifft. Nach diesen Maßstäben ist die allgemeine Relativitätstheorie eine gute Theorie – sie sagt diese Abweichungen in den Umlaufbahnen erfolgreich voraus und stärkt damit unser Vertrauen in die Theorie.
Selbst das Licht selbst wird von der Krümmung der Raumzeit beeinflusst. Licht von weit entfernten Sternen erscheint uns an einer anderen Position als seinem tatsächlichen Ursprungsort, da die Gravitationsmasse der Sonne den Winkel des Lichts reflektiert.
Schwerkraft und Zeit
Da wir wissen, dass Zeit relativ ist, würde aus der allgemeinen Relativitätstheorie auch folgen, dass sich die Zeit an verschiedenen Punkten im Raum mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt. Aufgrund der unterschiedlichen Stärke der Anziehungskraft eines Körpers an verschiedenen Punkten in der Raumzeit und der Auswirkungen, die dies auf die Frequenzen der Lichtwellen hat, würden Ereignisse auf der Erde für einen Beobachter auf dem Gipfel eines Berges länger dauern – die Zeit würde auf dem Berg schneller vergehen, da das Licht von der Erde ihn mit einer niedrigeren Frequenz erreichen würde.
Dies wurde tatsächlich getestet: Es hat sich gezeigt, dass Uhren in höheren Lagen langsamer laufen als in tieferen, wie es die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt. Die wichtigste Erkenntnis? Alles ist relativ. Körper, die sich durch die Raumzeit bewegen, beeinflussen die Krümmung der Raumzeit selbst, was wiederum die Bewegung dieser Körper beeinflusst. Nichts ist statisch oder absolut.
Der Urknall und die Relativitätstheorie
Erfordert die allgemeine Relativitätstheorie einen Urknall? Der britische Mathematiker und Physiker Roger Penrose versuchte 1965, diese Frage zu beantworten. Ausgehend von der allgemeinen Relativitätstheorie und dem Prinzip, dass Gravitation immer anziehend wirkt, stellte Penrose die Theorie auf, dass ein Stern, wenn er stirbt und unter dem Gewicht seiner eigenen massiven Gravitation kollabiert, auf einen Raum mit null Oberfläche und Volumen komprimiert wird. Dies wäre eine Singularität – ein Punkt in der Raumzeit mit unendlicher Dichte und Krümmung, ähnlich wie die Bedingungen vor dem Urknall. Diese Singularität wird als Schwarzes Loch bezeichnet (wir werden im nächsten Kapitel noch viel mehr darüber sprechen). Nach Penroses Theorie muss jeder Körper, der einem Gravitationskollaps unterliegt, eine Singularität erzeugen .Die große Erkenntnis von Stephen Hawking, einem Kollegen von Penrose, bestand darin, Penroses Theorem umzukehren: Wenn alle Sterne bei ihrem Kollaps zu Singularitäten werden, dann muss ein expandierendes Universum mit einer Singularität begonnen haben. 1970 veröffentlichten Hawking und Penrose gemeinsam eine Arbeit, in der sie bewiesen, dass die allgemeine Relativitätstheorie das Auftreten eines Urknalls erfordert .
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Hier finden Sie in unserer vollständigen Zusammenfassung von „Eine kurze Geschichte der Zeit“ :
- Die Suche nach einer Theorie, die die Geschichte und Entwicklung unseres Universums erklärt
- Stephen Hawkings Diskussionen über Zeit, Raum, Dimensionen und Quantentheorie
- Wie Zeitreisen theoretisch funktionieren würden
