Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie wurde seit 1905 von Albert Einstein formuliert. Sie ist eine physikalische Theorie über die Struktur von Zeit und Raum.

In der Relativitätstheorie ist die klassische Physik als Grenzfall (kleine Geschwindigkeiten gegenüber der Lichtgeschwindigkeit) enthalten. Die Entwicklung der Relativitätstheorie ist nicht abgeschlossen, doch sprechen experimentelle Ergebnisse für ihre Gültigkeit.

Zusammen mit der Quantenmechanik bildet die Relativitätstheorie die Grundlage der modernen Physik, für die Kosmologie ist sie unentbehrlich geworden.

Spezielle Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie ist begründet auf dem klassischen Relativitätsprinzip und auf den Erkenntnissen von Michelson, Lorentz und Fitzgerald. Einstein übertrug in der speziellen Relativitätstheorie das mechanische Relativitätsprinzip auch auf nichtmechanische Vorgänge in geradlinig-gleichförmig bewegten Systemen, auf die gesamte Physik. In der speziellen Relativitätstheorie gilt, dass Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig von der Erdbewegung ist (Konstanz). Damit brachte die Relativitätstheorie die Erklärung für eine Reihe widerspruchsvoller Erfahrungen, v.a. auf dem Gebiet der Lichtwellenausbreitung.

Raum und Zeit können nicht mehr mit absoluten Größen angegeben werden; sie hängen von der Bewegung des Betrachters ab und sind damit relativ. So ist der Gang einer bewegten Uhr für den ruhenden Betrachter langsamer als für den, der sich mitbewegt.

Masse wird als Form der Energie angesehen, wobei Energie eine träge Masse ist. Die Masse wächst mit der Geschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit ist deshalb eine prinzipiell nicht überschreitbare Grenzgeschwindigkeit.

Allgemeine Relativitätstheorie

In der allgemeinen Relativitätstheorie (1915) erweiterte Einstein das Relativitätsprinzip, indem er es – unter Inbetrachtziehung von Gravitationsfeldern – auch auf beschleunigte Bezugssysteme anwandte. Sie handelt von der prinzipiellen Gleichberechtigung aller raum-zeitlichen Koordinatensysteme. Einstein ging davon aus, dass schwere Masse (Materie) und träge Masse (Energie) universell gleich ist.

So kann man z.B. in einem abwärts fahrenden Aufzug nicht unterscheiden, ob der Aufzug beschleunigt wird oder sich in freiem Fall befindet, die Bewegung also durch die Gravitation erzeugt wird. Die Beschleunigung durch die Gravitation und die Beschleunigung durch die Trägheitskraft sind demnach gleichwertig (Äquivalenzprinzip). Diese Äquivalenz konnte mit hoher Genauigkeit nachgewiesen werden.

Weitere Folgerungen aus dieser Annahme sind die Ablenkung eines Lichtstrahls in einem Gravitationsfeld (z.B. der Sonne) und die Rotverschiebung.

Einstein führte die Zeit als vierte Koordinate zum vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum ein. Als gekrümmt ist der Raum unbegrenzt und gleichzeitig endlich zu verstehen (Riemann'sche Geometrie).