Relativitätstheorie (Theory of relativity)

Die von Albert Einstein formulierte Relativitätstheorie umfasst zwei unterschiedliche physikalische Theorien: die spezielle Relativitätstheorie, eingeführt 1905, und die allgemeine Relativitätstheorie, veröffentlicht 1915. Die spezielle Relativitätstheorie befasst sich mit allen physikalischen Phänomenen, bei denen die Schwerkraft vernachlässigbar ist. Umgekehrt erläutert die Allgemeine Relativitätstheorie die Prinzipien der Gravitation und ihres Zusammenspiels mit fundamentalen Kräften und erweitert ihre Anwendbarkeit auf kosmologische und astrophysikalische Bereiche, einschließlich des Studiums der Astronomie.

Die Relativitätstheorie umfasst zwei physikalische Theorien von Albert Einstein: die spezielle Relativitätstheorie und die allgemeine Relativitätstheorie, die 1905 bzw. 1915 vorgeschlagen und veröffentlicht wurden. Die spezielle Relativitätstheorie gilt für alle physikalischen Phänomene ohne Schwerkraft. Die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt das Gravitationsgesetz und seine Beziehung zu den Naturkräften. Es gilt für den kosmologischen und astrophysikalischen Bereich, einschließlich der Astronomie.

Dieser theoretische Rahmen hat die theoretische Physik und Astronomie im Laufe des 20. Jahrhunderts grundlegend verändert und die Mechanik von Isaac Newton verdrängt, die zwei Jahrhunderte lang vorherrschend gewesen war. Es führte bahnbrechende Konzepte ein wie die vierdimensionale Raumzeit, die als einheitliches Kontinuum von Raum und Zeit verstanden wird, die Relativität der Gleichzeitigkeit, sowohl kinematische als auch gravitative Zeitdilatation und Längenkontraktion. Innerhalb der Physik förderte die Relativitätstheorie das Verständnis der Elementarteilchen und ihrer grundlegenden Wechselwirkungen und leitete gleichzeitig das Kernzeitalter ein. Darüber hinaus ermöglichte die Relativitätstheorie der Kosmologie und Astrophysik die Vorhersage bemerkenswerter astronomischer Phänomene, darunter Neutronensterne, Schwarze Löcher und Gravitationswellen.

Konzeptionelle Entwicklung und wissenschaftliche Akzeptanz

Albert Einstein führte 1905 die spezielle Relativitätstheorie ein und fasste dabei zahlreiche theoretische Erkenntnisse und empirische Beobachtungen von Forschern wie Albert A. Michelson, Hendrik Lorentz und Henri Poincaré zusammen. Nachfolgende Beiträge wurden von Persönlichkeiten wie Max Planck und Hermann Minkowski geleistet.

Einstein formulierte die Allgemeine Relativitätstheorie zwischen 1907 und 1915, weitere bedeutende Beiträge anderer Wissenschaftler kamen nach 1915 hinzu. Die endgültige Version der Allgemeinen Relativitätstheorie wurde 1916 offiziell veröffentlicht.

Die Nomenklatur „Relativitätstheorie“ entstand aus dem Begriff „Relativtheorie“ (deutsch: Relativtheorie), die Planck 1906 verwendete, um die Abhängigkeit der Theorie vom Relativitätsprinzip zu unterstreichen. Anschließend verwendete Alfred Bucherer im Diskussionsteil derselben Veröffentlichung erstmals den Ausdruck „Relativitätstheorie“ (deutsch: Relativitätstheorie).

In den 1920er Jahren hatte die spezielle Relativitätstheorie in der Physikgemeinschaft ein breites Verständnis und Akzeptanz erlangt. Sie entwickelte sich schnell zu einem unverzichtbaren Instrument sowohl für theoretische als auch experimentelle Physiker in aufstrebenden Disziplinen wie Atomphysik, Kernphysik und Quantenmechanik.

Im Gegensatz dazu schien die allgemeine Relativitätstheorie zunächst weniger unmittelbar anwendbar zu sein und bot in erster Linie nur geringfügige Verbesserungen der aus der Newtonschen Gravitationstheorie abgeleiteten Vorhersagen. Seine Thesen, die größtenteils astronomische Maßstäbe betrafen, schienen nur begrenzte Möglichkeiten für eine experimentelle Überprüfung zu bieten. Darüber hinaus war sein kompliziertes mathematisches Rahmenwerk nur einer ausgewählten Gruppe von Spezialisten zugänglich. Ungefähr um 1960 erlangte die allgemeine Relativitätstheorie jedoch eine zentrale Rolle in der Physik und Astronomie. Die Entwicklung neuartiger mathematischer Methoden erleichterte Berechnungen und verbesserte die Visualisierung ihrer Konzepte. Gleichzeitig fand die Entdeckung verschiedener astronomischer Phänomene, darunter Quasare (1963), die 3-Kelvin-Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (1965), Pulsare (1967) und die ersten Kandidaten für Schwarze Löcher (1981), Erklärungen innerhalb der Theorie, wobei nachfolgende Messungen eine weitere empirische Validierung lieferten.

Spezielle Relativitätstheorie

Die Spezielle Relativitätstheorie stellt einen theoretischen Rahmen dar, der die grundlegende Struktur der Raumzeit beschreibt. Es wurde offiziell in Einsteins bahnbrechender Veröffentlichung „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ aus dem Jahr 1905 vorgestellt. Diese Theorie basiert auf zwei Postulaten, die der klassischen Mechanik grundlegend widersprechen:

1. Die Gesetze der Physik wahren die Invarianz für alle Beobachter, die sich in gegenseitig trägen Bezugssystemen befinden (das Relativitätsprinzip).
2. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleibt für alle Beobachter konstant, unabhängig von ihrer Relativbewegung oder der Bewegung der Lichtquelle.

Die resultierende Theorie zeigt im Vergleich zur klassischen Mechanik eine bessere Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen. Das zweite Postulat erklärt beispielsweise die Ergebnisse des Michelson-Morley-Experiments. Darüber hinaus liefert die Theorie mehrere unerwartete und kontraintuitive Implikationen, darunter:

• Relativität der Gleichzeitigkeit: Ereignisse, die von einem Beobachter als gleichzeitig wahrgenommen werden, sind für einen anderen Beobachter, der sich in relativer Bewegung befindet, möglicherweise nicht gleichzeitig.
• Zeitdilatation: Man beobachtet, dass bewegte Uhren langsamer laufen als die stationäre Uhr eines Beobachters.
• Längenkontraktion: Es wird gemessen, dass Objekte entlang ihrer Bewegungsrichtung relativ zu einem Beobachter eine Längenreduzierung aufweisen.
• Die maximale Geschwindigkeit ist endlich, da kein physisches Objekt, keine Nachricht und keine Feldlinie die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten kann.
  • In ähnlicher Weise breiten sich Gravitationseffekte ausschließlich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum aus, niemals augenblicklich oder mit größerer Geschwindigkeit.
• Masse-Energie-Äquivalenz wird durch die Formel E = mc§56§ ausgedrückt, was angibt, dass Energie und Masse austauschbar sind und ineinander umgewandelt werden können.
• Das Konzept der relativistischen Masse wird von bestimmten Forschern verwendet.

Die spezielle Relativitätstheorie zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass sie die Galilei-Transformationen der klassischen Mechanik durch die Lorentz-Transformationen ersetzt.

Allgemeine Relativitätstheorie

Die Allgemeine Relativitätstheorie, eine Gravitationstheorie, wurde zwischen 1907 und 1915 von Einstein formuliert. Ihre Entstehung geht auf das Äquivalenzprinzip zurück, das besagt, dass beschleunigte Bewegung und Stillstand innerhalb eines Gravitationsfeldes (z. B. Stehen auf der Erdoberfläche) physikalisch nicht zu unterscheiden sind. Folglich wird der freie Fall als Trägheitsbewegung interpretiert, was bedeutet, dass sich Objekte im freien Fall ohne äußere Kräfte bewegen und nicht durch die Schwerkraft angetrieben werden, wie die klassische Mechanik nahelegt. Diese Interpretation steht im Widerspruch zur klassischen Mechanik und zur speziellen Relativitätstheorie, bei der sich durch Trägheit bewegte Objekte im Gegensatz zu Objekten im freien Fall nicht relativ zueinander beschleunigen. Um diese Diskrepanz zu beseitigen, schlug Einstein zunächst die Krümmung der Raumzeit vor. In Zusammenarbeit mit dem Mathematiker Marcel Grossmann stellte Einstein fest, dass die allgemeine Relativitätstheorie mithilfe der Riemannschen Geometrie artikuliert werden kann, einem im 19. Jahrhundert entwickelten mathematischen Rahmenwerk. Im Jahr 1915 stellte Einstein die Feldgleichungen auf, die die Beziehung zwischen der Krümmung der Raumzeit und der Verteilung von Masse, Energie und Impuls darin beschreiben.

Zu den wichtigsten Implikationen der Allgemeinen Relativitätstheorie gehören:

• Gravitationszeitdilatation, bei der Uhren innerhalb stärkerer Gravitationsfelder mit einer reduzierten Geschwindigkeit arbeiten.
• Orbitale Präzession, die Umlaufbahnen beschreibt, die von den Vorhersagen der Newtonschen Gravitationstheorie abweichen. Dieses Phänomen wurde empirisch in der Umlaufbahn des Merkur und in binären Pulsarsystemen beobachtet.
• Lichtablenkung, gekennzeichnet durch die Ablenkung von Lichtstrahlen, wenn sie einem Gravitationsfeld ausgesetzt werden.
• Frame-Dragging, ein Phänomen, bei dem rotierende Massen einen „Zieheffekt“ auf die umgebende Raumzeit hervorrufen.
• Die Expansion des Universums weist darauf hin, dass sich der Kosmos kontinuierlich vergrößert, wobei bestimmte kosmische Bestandteile diese Expansion möglicherweise beschleunigen.

Grundsätzlich funktioniert die Allgemeine Relativitätstheorie als eine Gravitationstheorie, die sich durch die Anwendung der Einstein-Feldgleichungen auszeichnet. Die aus diesen Feldgleichungen abgeleiteten Lösungen sind metrische Tensoren, die die Raumzeittopologie beschreiben und die Trägheitsbewegung von Objekten steuern.

Experimentelle Beweise

Einstein kategorisierte die Relativitätstheorie als „Prinzipientheorie“, einen wissenschaftlichen Rahmen, der nicht auf spekulativen Konstrukten oder hypothetischen Mechanismen, sondern auf etablierten empirischen Beobachtungen und natürlichen Gesetzmäßigkeiten beruht. Im Gegensatz zu konstruktiven Theorien, die darauf abzielen, Phänomene auf der Grundlage vermuteter zugrunde liegender Prozesse zu modellieren, verwenden Prinzipientheorien wie die Relativitätstheorie eine analytische Methodik. Sie beginnen mit experimentell validierten Prinzipien und gehen deduktiv vor, um die logischen Implikationen und Einschränkungen zu ermitteln, die jedem physikalischen Prozess unterliegen. Durch die Beobachtung natürlicher Phänomene werden deren allgemeine Eigenschaften verstanden, mathematische Modelle zur Beschreibung dieser Beobachtungen formuliert und anschließend mithilfe analytischer Methoden die erforderlichen Bedingungen abgeleitet. Messungen verschiedener Ereignisse müssen diesen Bedingungen entsprechen und mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmen.

Tests der Speziellen Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie ist eine falsifizierbare Theorie, die Vorhersagen generiert, die einer experimentellen Überprüfung zugänglich sind. Für die Spezielle Relativitätstheorie umfassen diese Vorhersagen das Relativitätsprinzip, die invariante Lichtgeschwindigkeit und die Zeitdilatation. Während seit Einsteins Veröffentlichung im Jahr 1905 zahlreiche Experimente die Vorhersagen der Speziellen Relativitätstheorie bestätigt haben, waren drei spezifische Experimente, die zwischen 1881 und 1938 durchgeführt wurden, ausschlaggebend für ihre Validierung: das Michelson-Morley-Experiment, das Kennedy-Thorndike-Experiment und das Ives-Stilwell-Experiment. Obwohl Einstein 1905 die Lorentz-Transformationen aus Grundprinzipien ableitete, lieferten diese drei Experimente empirische Beweise, aus denen die Transformationen abgeleitet werden konnten.

Maxwells Gleichungen, die das Fundament des klassischen Elektromagnetismus bilden, charakterisieren Licht als eine Welle, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreitet. Während das zeitgenössische Verständnis davon ausgeht, dass Licht kein Übertragungsmedium benötigt, waren Maxwell und seine Zeitgenossen davon überzeugt, dass Lichtwellen, ähnlich wie Schallwellen in der Luft oder Wellen auf dem Wasser, ein Medium zur Ausbreitung benötigen. Dieses hypothetische Medium wurde als leuchtender Äther bezeichnet, von dem angenommen wird, dass er relativ zu den „Fixsternen“ stationär ist und durch den die Erde wanderte. Fresnels Hypothese des partiellen Ätherschleppens schloss die Messung von Effekten erster Ordnung (v/c) aus. Obwohl Beobachtungen von Effekten zweiter Ordnung (v²/c²) theoretisch möglich waren, hielt Maxwell sie für zu klein, um mit der damals verfügbaren Technologie entdeckt zu werden.

Das Michelson-Morley-Experiment wurde konzipiert, um Effekte zweiter Ordnung zu erkennen, die vom „Ätherwind“ herrühren, der die Bewegung des Äthers relativ zur Erde darstellt. Michelson hat speziell für diesen Zweck das Michelson-Interferometer entwickelt. Das Gerät verfügte über eine ausreichende Präzision, um die erwarteten Auswirkungen zu erkennen. Beim ersten Experiment im Jahr 1881 und erneut im Jahr 1887 wurde jedoch ein Nullergebnis erzielt. Trotz der Enttäuschung, die sich aus der Unfähigkeit ergab, einen Ätherwind nachzuweisen, akzeptierte die wissenschaftliche Gemeinschaft diese Ergebnisse. Um das Äther-Paradigma zu bewahren, schlugen FitzGerald und Lorentz unabhängig voneinander eine Ad-hoc-Hypothese vor, die besagte, dass die Länge materieller Körper entsprechend ihrer Bewegung durch den Äther variierte. Dieses Konzept leitete die FitzGerald-Lorentz-Kontraktion ein, obwohl ihrer Hypothese eine theoretische Grundlage fehlte. Die Interpretation des Nullergebnisses des Michelson-Morley-Experiments zeigt, dass die Hin- und Rücklaufzeit für Licht isotrop (richtungsunabhängig) ist; Dieses Ergebnis allein reicht jedoch nicht aus, um die Äthertheorie zu entkräften oder die Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie zu untermauern.

Während das Michelson-Morley-Experiment die isotrope Natur der Lichtgeschwindigkeit demonstrierte, ging es nicht darauf ein, wie sich die Größe dieser Geschwindigkeit, wenn überhaupt, über verschiedene Inertialsysteme hinweg ändern könnte. Das Kennedy-Thorndike-Experiment, das erstmals 1932 von Roy Kennedy und Edward Thorndike durchgeführt wurde, sollte diese spezielle Frage untersuchen. Ihr Experiment ergab ebenfalls ein Nullergebnis, was sie zu dem Schluss führte, dass „es keinen Effekt gibt … es sei denn, die Geschwindigkeit des Sonnensystems im Weltraum beträgt nicht mehr als etwa die Hälfte der Geschwindigkeit der Erde in ihrer Umlaufbahn.“ Diese besondere Möglichkeit wurde als zu zufällig angesehen, um eine plausible Erklärung zu bieten. Folglich führte das Nullergebnis ihres Experiments zu der Schlussfolgerung, dass die Umlaufzeit für Licht über alle Trägheitsreferenzsysteme hinweg konstant bleibt.

Das Ives-Stilwell-Experiment wurde von Herbert Ives und G.R. durchgeführt. Stilwell, zunächst im Jahr 1938 und anschließend mit erhöhter Genauigkeit im Jahr 1941. Ziel war es, den transversalen Doppler-Effekt zu testen – die Rotverschiebung von Licht, das von einer sich bewegenden Quelle in einer Richtung senkrecht zu ihrer Geschwindigkeit emittiert wird – ein Phänomen, das 1905 von Einstein vorhergesagt wurde. Die experimentelle Methodik umfasste den Vergleich beobachteter Doppler-Verschiebungen mit Vorhersagen aus der klassischen Theorie, wobei insbesondere eine Lorentz-Faktor-Korrektur angestrebt wurde. Eine solche Korrektur wurde tatsächlich beobachtet, was zu dem Schluss führte, dass sich die Frequenz einer sich bewegenden Atomuhr gemäß der speziellen Relativitätstheorie ändert.

Diese bahnbrechenden Experimente wurden zahlreiche Male mit immer größerer Präzision wiederholt. Weitere experimentelle Untersuchungen umfassen beispielsweise den relativistischen Anstieg von Energie und Impuls bei hohen Geschwindigkeiten, die empirische Überprüfung der Zeitdilatation und zeitgenössische Suchen nach Lorentz-Verletzungen.

Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie wurde auch durch verschiedene Experimente umfassend bestätigt. Zu den klassischen Beispielen zählen die Perihelpräzession der Merkurbahn, die Lichtablenkung durch die Sonne und die gravitative Rotverschiebung des Lichts. Weitere Tests haben das Äquivalenzprinzip und das Frame-Dragging bestätigt.

Moderne Anwendungen

Über ihre theoretischen Implikationen hinaus stellen relativistische Effekte wichtige praktische technische Überlegungen dar. Satellitenbasierte Messsysteme erfordern die Einbeziehung relativistischer Effekte, da die Bewegung jedes Satelliten relativ zu einem erdgebundenen Beobachter ihn in einen bestimmten Referenzrahmen gemäß der Relativitätstheorie versetzt. Beispielsweise erfordern globale Positionierungssysteme, darunter GPS, GLONASS und Galileo, eine genaue Berücksichtigung aller relativistischen Phänomene, wie etwa des Einflusses des Gravitationsfeldes der Erde, um Betriebsgenauigkeit zu erreichen. Ebenso unterliegen hochpräzise zeitliche Messungen denselben Überlegungen. Darüber hinaus wäre die Funktionalität von Instrumenten, vom Elektronenmikroskop bis zum Teilchenbeschleuniger, ohne die Integration relativistischer Prinzipien beeinträchtigt.

Doppelt spezielle Relativitätstheorie

• Doppelt spezielle Relativitätstheorie
• Galiläische Invarianz
• Liste der Lehrbücher zur Relativitätstheorie

Die Wörterbuchdefinition der Relativitätstheorie ist bei Wiktionary verfügbar.

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