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? Inwiefern hat sie unser Verständnis der Funktionsweise unseres Universums revolutioniert?
Innerhalb von Einsteins Relativitätstheorie gibt es eigentlich zwei Theorien: die spezielle Relativitätstheorie und die allgemeine Relativitätstheorie. Erstere gilt für alle physikalischen Phänomene mit Ausnahme der Schwerkraft, während letztere die Gravitationskraft im Zusammenhang mit den anderen Kräften des Universums erklärt.
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Albert Einsteins Relativitätstheorie
Einsteins Relativitätstheorie trug wesentlich zum Verständnis des Zusammenspiels zwischen Lichtgeschwindigkeit und Zeitablauf bei. Doch ein entscheidendes Element fehlte noch: die Schwerkraft. Gravitationswirkungen müssten sofort eintreten, was bedeutet, dass sich die Schwerkraft mit unendlicher Geschwindigkeit ausbreitet (es dürfte keine Zeit dauern, bis die Schwerkraft ihre Wirkung entfaltet). Doch wie ließ sich dies mit der Vorstellung vereinbaren, dass sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen könne?
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die 1916 vorgeschlagen wurde, erklärte, dass die Schwerkraft eine besondere Kraft sei, die aufgrund der Krümmung der Raumzeit selbst existiere. Die Raumzeit ist dieser Theorie zufolge nicht flach. Daher bewegen sich umkreisende Körper auf Geodäten – der kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten. Dies kommt einer geraden Linie am nächsten. Somit folgt die Erde tatsächlich einer geraden Bahn durch die vierdimensionale Raumzeit, doch für uns erscheint dies als elliptische Umlaufbahn.
Die Masse und Energie von Himmelskörpern wie der Sonne krümmen tatsächlich das Raum-Zeit-Gefüge selbst und verursachen dadurch geringfügige Abweichungen in den „elliptischen“ Umlaufbahnen – Abweichungen, die sich mit Newtons Theorie nicht vollständig erklären ließen. Dies lässt sich mit dem Beispiel vergleichen, bei dem man einen Gegenstand auf ein gespanntes Stück Stoff legt. Das Gewicht dieses Gegenstands führt dazu, dass sich der Stoff absenkt – genau nach demselben Mechanismus verzerrt die Schwerkraft die Krümmung der Raum-Zeit.
Eine gute Theorie zeichnet sich dadurch aus, dass sie die beobachtete Realität beschreibt und zuverlässige sowie genaue Vorhersagen über die Zukunft liefert. 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 durch die Krümmung der Raumzeit beeinflusst. Licht von fernen Sternen erscheint uns an einer anderen Position als der, von der es tatsächlich ausgeht, da die Gravitationsmasse der Sonne den Winkel des Lichts ablenkt.
Schwerkraft und Zeit
Da wir wissen, dass Zeit relativ ist, würde sich aus der allgemeinen Relativitätstheorie auch ergeben, dass die Zeit an verschiedenen Punkten im Raum mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verläuft. Aufgrund der unterschiedlichen Stärke der Anziehungskraft eines Körpers an verschiedenen Punkten in der Raumzeit und der Auswirkungen, die dies auf die Frequenzen von Lichtwellen hat, würden Ereignisse auf der Erde für einen Beobachter auf dem Gipfel des Berges scheinbar 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 experimentell bestätigt: Es hat sich gezeigt, dass Uhren in größeren Höhen langsamer laufen als in niedrigeren, genau 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 die Schwerkraft stets anziehend wirkt, stellte Penrose die Theorie auf, dass ein Stern, wenn er stirbt und unter dem Gewicht seiner eigenen enormen Schwerkraft kollabiert, auf einen Raum mit null Oberfläche und null Volumen komprimiert würde. Dies wäre eine Singularität – ein Punkt in der Raumzeit mit unendlicher Dichte und Krümmung, ähnlich den 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 beim Kollaps zu Singularitäten würden, dann müsste ein expandierendes Universum mit einer Singularität begonnen haben. Im Jahr 1970 veröffentlichten Hawking und Penrose gemeinsam eine Arbeit, in der sie bewiesen, dass die allgemeine Relativitätstheorie das Auftreten eines Urknalls zwingend erforderlich machte.
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Das erwartet Sie in unserer vollständige Zusammenfassung von „Eine kurze Geschichte der Zeit“ :
- Die Suche nach einer Theorie, die die Geschichte und die Entwicklung unseres Universums erklärt
- Stephen Hawkings Ausführungen zu Zeit, Raum, Dimensionen und Quantentheorie
- Wie Zeitreisen theoretisch funktionieren würden
