- Kapitel 6 -
Was ist Gravitation? Die allgemeine Relativitätstheorie

Newtons Gleichungen erklärten wie die Planeten um die Sonnen kreisen - und dies auch sehr genau. Doch gab es ein Problem, welches Newton nicht zu lösen vermochte: Neben der Tatsache, dass er die Schwerkraft an sich nicht deuten konnte, war es ihm auch nicht möglich die Fehler in der Umlaufbahn des sonnennächsten Planeten Merkur zu lösen. Mit jedem Umlauf des Merkurs um die Sonne verschiebt sich seine Umlaufbahn etwas zu vorhergehenden. Die bestehende Gravitationstheorie konnte diese Abweichungen nicht richtig vorhersagen. Man vermutete die Existenz eines weiteren Planeten, den man bisher noch nicht entdeckt hatte und der diese Abweichung verursacht - man nannte ihn „Vulkan“. Heute ist er wohl aus der Serie Raumschiff Enterprise bekannt, dessen Besatzungsmitglied Mr. Spock von diesem Planeten stammt. Einstein löste das Problem und erklärte ganz nebenbei noch, was eigentlich Schwerkraft ist.


Das Raum-Zeit-Kontinuum

Dazu müssen wir uns das so genannte Raum-Zeit-Kontinuum genauer betrachten. Der Raum besteht zunächst aus den drei bekannten Koordinaten: Länge, Breite und Höhe. Mit diesen Koordinaten können wir jeden x-beliebigen Punkt genau festlegen. Um einen Punkt in der Geschichte genau ansprechen zu können, benötigen wir neben diesen Angaben noch eine vierte - die Zeit. Soweit erscheint uns das ja auch noch logisch. Stellen Sie sich nun ein Schattenspiel vor. Die Bewohner einer „Schatten-Spiel-Stadt“ kennen keine Tiefe, das bedeutet sie haben nur zwei Dimensionen zur Verfügung: die Länge und die Breite. Es ist für diese Wesen schier unvorstellbar, dass es noch eine dritte Dimension gibt - die Tiefe nämlich. Was für uns völlig selbstverständlich ist, ist für diese Wesen völlig fremd. Und genau so schwer, wie es für diese Wesen ist, sich eine dritte Dimension vorzustellen, ist es für uns nahezu unmöglich eine vierte Dimension zu veranschaulichen. Aber genau das sagt Albert Einstein: So wie Länge, Breite und Höhe miteinander unzertrennlich verknüpft sind, so ist auch die Zeit untrennbar mit diesen drei Dimensionen verbunden: dies ist das so genannte Raum-Zeit-Kontinuum. Und jede Masse, egal wie groß oder wie klein sie ist, beugt dieses Kontinuum, die Masse macht sozusagen eine Delle in die Raumzeit.
Wie schon erklärt hat jede Masse den drang eine geradlinige, gleichförmige Bewegung zu vollziehen. Wollen wir dies verhindern, so müssen wir eine Kraft aufwenden um die Masse umzulenken, abzubremsen oder zu beschleunigen. Auch Planeten haben demnach den Drang einer geradlinigen, gleichförmigen Bewegung, sie werden jedoch daran gehindert, da die Gravitationskraft anderer Planeten bzw. Sterne (z.B. die Sonne) eine beeinflussende Kraft auf andere Planeten ausübt. Albert Einstein deutete die Gravitation als eine Verwerfung (also eine Krümmung) der Raumzeit. Stellen Sie sich ein gespanntes Gummituch vor. In die Mitte legen Sie ein schweres rundes Objekt, so dass das Gummituch eingedrückt wird. Nun nehmen Sie beispielsweise eine Murmel und lassen sie um das mittlere Objekt kreisen. Die Murmel wird sich um den Mittelpunkt drehen, dabei die Form ihrer Umlaufbahn permanent verändert und schließlich in den Mittelpunkt stürzen. Das Gummituch soll dabei natürlich die Raumzeit und die Murmeln die Planeten symbolisieren. Albert Einstein löste somit das Problem der Gravitation und gleichzeitig Newtons Gesetze ab. Sie werden allerdings aus Einfachheitsgründen heute immer noch angewendet, da Einsteins Formeln einfach zu komplex sind und der Unterschied in der Regel minimal ist.


Das Verhalten von Licht in der Raumzeit - das Äquivalenzprinzip

Stellen Sie sich vor, Sie sie sind in einen Fahrstuhl eingestiegen, jedoch nicht in einem x-beliebigen sondern in einem speziellen - ein Fahrstuhl der mitten in der Unendlichkeit des Raumes verkehrt. Normalerweise gibt es hier keine Schwerkraft, sie würden also in ihrem Fahrstuhl umherschweben. Stellen Sie sich weiter vor, der Fahrstuhl fährt nun an. Wenn er eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat können Sie nicht mehr unterscheiden, ob Sie in einem Fahrstuhl nach oben fahren, oder ob plötzlich eine höhere Macht die Schwerkraft in dem Fahrstuhl eingeschaltet hat. Beide Erscheinungsbilder sind vollkommen gleich - die Beschleunigung nach oben und die Schwerkraft - dies nennt man das Äquivalenzprinzip.



Stellen Sie sich weiter vor in den Fahrstuhl fällt durch ein kleines Loch ein Lichtteilchen in das Innere der Kabine. Was werden Sie sehen? DasLichtteilchen fliegt gerade aus. Sie bewegen sich jedoch mit dem Fahrstuhl nach oben und plötzlich erscheint es Ihnen als würde das Lichtteilchen in Bezug auf die Kabine gekrümmt.
Wenn die Beschleunigung des Fahrstuhls und die Schwerkraft äquivalent sind, sollte dann vielleicht ein vergleichbarer Lichteffekt auch bei Körpern vorkommen, die Schwerkraft ausüben? Die Antwort auf die Frage: Ja! Licht wird tatsächlich an der Erde oder anderen Objekten gekrümmt. Was hat das für folgen? Nun, wenn wir in den Himmel schauen können wir, so glaubten wir bisher, die Position der Sterne kartographieren, indem wir uns die Himmelspositionen auf eine Karte übertragen. Dies geht nun nicht mehr! Wenn ein anderer Planet das Licht beugt, kann der Stern in Wirklichkeit an einer ganz anderen versetzten Stellen aufzufinden sein, wie folgendes Bild zeigt:




Einsteins größter Fehler

Resultierend aus seiner Relativitätstheorie machte Albert Einstein eine erschreckende Entdeckung: Der Weltraum ist nicht konstant sondern expandiert! Diese Erkenntnis war zu Einsteins Zeiten revolutionär, doch war das Bild eines statischen Universums zu sehr in den Gedanken der Menschen verankert. Auch Einstein konnte sich mit einem expandierenden Universum nicht abfinden und korrigierte daher seine Gleichungen - er führte einen konstanten Wert ein, der der Expansion sozusagen entgegenwirkt: es handelt sich um die „Kosmologische Konstante“.
Der amerikanische Astronom Edwin Hubble (1889-1953) entdeckte etwas was später Hubble-Effekt genannt werden sollte. Es war der schlagende beweis dafür, dass Albert Einstein falsch lag: Das Universum expandiert! Einstein bezeichnete die kosmologische Konstante später als größten Fehler seines Lebens.
Was ist der Hubble-Effekt? Zunächst muss man wissen, dass Hubble zwei physikalische Erkenntnisse kombiniert hat: den Doppler-Effekt und die Frauenhoferlinien im Lichtspektrum. Den Doppler-Effekt können wir jeden Tag selber beobachten: Wenn wir an einer Straßenkreuzung stehen und ein Feuerwehrfahrzeug mit Blaulicht und Martinshorn heranfahren hören, dann machen wir eine bemerkenswerte Feststellung: Um so näher das Einsatzfahrzeug an uns heranfährt, um so höher erscheint uns der Klang der Sirene. Dies ist keine Einbildung, sondern ein logisches Resultat, wenn man sich den Schall genauer ansieht. Der Schall besteht aus Wellen, die sich in einem Medium, in der Regel Luft, fortpflanzen. Diese Wellen werden in regelmäßigen Abständen von dem Martinshorn abgegeben und treffen dann auf unser Gehör, wo die Daten durch unser Gehirn weiterverarbeitet werden. Um so näher das Fahrzeug kommt, um so mehr Schallwellen pro Zeiteinheit treffen auf unser Ohr.
Nehmen wir an das Fahrzeug ist noch zwei Meter von uns entfernt und sendet nun Schallwellen aus, so treffen diese Wellen wenig später auf unser Gehör. In der Zwischenzeit ist das Fahrzeug jedoch wieder etwas auf uns zu gekommen. Die nun ausgesandten Wellen werden zwar später emittiert, sie müssen dafür aber auch eine kürze Strecke zu uns zurücklegen. Somit werden diese Wellen fast gleichzeitig mit den anderen, vorher ausgesandten Wellen eintreffen. Um so näher das Fahrzeug kommt, um so mehr Wellen treffen nach diesem Prinzip auf unser Gehör. Um so mehr Wellen auf unser Ohr treffen, um so höher kommt uns der Klang vor. Das gleiche geht natürlich auch andersherum: Wenn das Fahrzeug an uns vorbeigefahren ist, treffen weniger Wellen pro Zeiteinheit bei uns ein und der Klang wird wieder tiefer.
Licht besteht ja ebenfalls aus Wellen. Könnte man da ähnliche Erfahrungen machen? Es stellte sich heraus, dass tatsächlich ein ähnlicher Effekt verzeichnet werden kann. Dabei helfen die sog. Frauenhoferlinien im Lichtspektrum weiter: Man nehme ein beliebiges Element, bestrahle es mit weißem Licht und schicke den Lichtanteil, der von dem Körper zurückgeworfen wird durch ein Prisma und lasse das Licht in seine Spektralfarben zerlegen. Das Ergebnis sind z.B. die Farben des Regenbogens, jedoch sind in gewissen Abständen kleine schwarze Streifen zu erkennen. In diesen Bereichen ist Licht von dem bestrahlten Element absorbiert und nicht reflektiert worden. Jedes Element hat seine charakteristischen Spektrallinien (auch Frauenhoferlinien genannt). Man könnte sagen, die Frauenhoferlinien sind der Fingerabdruck eines jeden Elementes. Auf diese Art und Weise lässt sich auch feststellen aus welchen Elementen entfernte Sterne zusammengesetzt sind ohne diese selber betreten zu müssen: Man zerlegt einfach das ankommende Licht in sein Spektrum.
Betrachtet man das Lichtspektrum weiter, so stellt man fest, dass beim linken Spektrum (der Bereich des ultravioletten Lichtes) die Abstände zwischen Wellenberg und Wellental sehr gering sind, um so weiter man im Spektrum nach rechts geht (der Bereich des infraroten Lichtes), um so größer werden die Abstände zwischen Wellenberg und Wellental. Man könnte vereinfacht sagen: im rechten Spektrum treten pro Zeiteinheit weniger Wellen auf als im linken Spektrum, aber dies habe ich Ihnen ja bereits erklärt.
Als Hubble das Licht entfernter Galaxien beobachtete sah er, dass die Spektrallinien der Stoffe leicht in das rote, rechte Spektrum verschoben worden waren. In Kombination mit dem Doppler-Effekt konnte er sich dies erklären: Die Galaxien entfernen sich, ähnlich dem Feuerwehrfahrzeug. Hierdurch treffen weniger Lichtwellen pro Zeiteinheit auf unsere Augen. Zwischen Wellenberg und Wellental ist eine größer Lücke vorzufinden - resultierend aus diesem Effekt werden die Frauenhoferlinien leicht in das rote, rechte Spektrum verschoben.
Ich habe nicht um sonst so viel Zeit für die Erklärung dieses Effektes verwendet. Schließlich beschreibt der Hubble-Effekt eine völlig neue Sichtweise unserer Welt. Durch die Expansion des Weltalls können wir darauf schließen, dass es eine Zeit gegeben haben muss, in der die gesamte Masse des Universums auf einen Ort konzentriert war. Wenn das All also einen Anfang hatte, hat es dann auch ein Ende? Welche Bedeutung hat dies für die Quantentheorie? Kann Sie Auskunft über das Kommende oder Vergangene geben? Fragen über Fragen und wir wollen sehen, was die Quantentheorie dazu sagt. Los geht's im nächsten Kapitel.

 
Zusammenfassung

Albert Einstein prägte den Begriff der Raumzeit bzw. des Raum-Zeit-Kontinuums. Demnach sind die drei Raumkoordinaten und die Zeit untrennbar miteinander verwoben. Eine Masse, egal wie klein, krümmt dieses Raum-Zeit-Kontinuum. Verwerfungen der Raumzeit sind für die gravimetrischen Effekte verantwortlich. Einstein erkannte weiter, dass Trägheits- und Schwerefeld vergleichbar (äquivalent) sind. Ob ein Fahrstuhl nach oben fährt und dadurch Masseträgheit hervorgerufen wird, oder ob der Fahrstuhl einem Schwerefeld ausgesetzt ist, lässt sich nicht unterscheiden. Hieraus resultiert die Krümmung von Licht an massereichen Objekten. Aus seinen Überlegungen schloss Einstein, dass es eine treibende Kraft geben müsse, die das Universum expandieren lässt. Um dies zu verhindern, führte er eine Gegenkraft ein - die kosmologische Konstante. Edwin Hubble konnte jedoch durch seine Beobachtungen eine Expansion des Universums nachweisen, was die kosmologische Konstante widerlegte.