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Einleitung und Wiederholung

Albert Einsteins Spezielle Relativitätstheorie stellt eine Erweiterung der klassischen Physik dar. Ihre Phänomene, nämlich die Längenkontraktion, Zeitdilatation und relativistische Massenzunahme, sind direkte Konsequenzen aus dem Speziellen Relativitätsprinzip und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Die Spezielle Relativitätstheorie ist eine Theorie über Inertialsysteme. Das sind Bezugssysteme, die ruhen oder sich geradlinig und gleichförmig bewegen. Dass seine Theorie keine beschleunigten Systeme erfasst, empfand Einstein als einen Mangel seiner Theorie und war bestrebt, sie allgemeiner zu formulieren. Zehn Jahre nach der Veröffentlichung der Speziellen Relativitätstheorie publizierte er 1915 schließlich die Allgemeine Relativitätstheorie.

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Die Allgemeine Relativitätstheorie

Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) ist eine hochkomplexe und abstrakte Theorie, die fundierte physikalische und mathematische Kenntnisse voraussetzt. Dies macht es nur schwer möglich, auf die Details einzugehen. Stattdessen wirst du einige Phänomene und Konsequenzen der Theorie kennenlernen.

Das Äquivalenzprinzip

Die ART ist eine Theorie über die Gravitation. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass es lokal keinen Unterschied zwischen der beschleunigenden Wirkung einer Kraft und der eines Gravitationsfelds gibt. Lokal bedeutet hier klein genug, dass Gezeitenkräfte oder die sphärische Form eines Gravitationsfelds vernachlässigbar sind. Entscheidend für die Äquivalenz ist die Forderung, dass die schwere Masse gleich der trägen Masse ist.

Ein Gedankenexperiment

Stell dir vor, du befindest dich in einer geschlossenen Kabine ohne Fenster und lässt einen Ball zu Boden fallen. Dann ist es unmöglich zu unterscheiden, ob der Ball durch die Schwerkraft (Gravitation) der Erde angezogen wird oder ob sich der Kabinenboden auf den Ball zubewegt, weil sie nach oben beschleunigt wird.

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Ebenso lässt sich innerhalb der Kabine unmöglich unterscheiden, ob du dich im freien Fall auf die Erde zu befindest oder in der Schwerelosigkeit des Alls.

Freier Fall

Krümmung der Raumzeit und ihre Konsequenzen

Die ART ist auch eine Theorie über die Geometrie der Raumzeit. Ihr zufolge verursacht Masse bzw. Materie eine Krümmung der Raumzeit. Dies wird oft durch ein gespanntes elastisches Tuch veranschaulicht. Solange es unbelastet ist, ist es gerade und gleichmäßig. Legst du aber einen Ball darauf, der die Masse symbolisiert, so biegt es sich durch und krümmt sich. Dasselbe passiert mit der Raumzeit in der Nähe schwerer Massen, wie der Sonne.

gekrümmte_Raumzeit.jpg

Licht breitet sich immer entlang der kürzesten Strecke zwischen zwei Punkten aus. Aufgrund der Krümmung des Raums kann es passieren, dass die kürzeste Strecke keine Gerade mehr ist. Das Licht wird gebogen.

Eine weitere Konsequenz ist die gravitative Zeitdilatation und Längenkontraktion. In der Nähe schwerer Massen werden Strecken kürzer und Uhren langsamer. Die Astronauten in der Internationalen Raumstation ISS altern also tatsächlich etwas schneller als die Menschen auf der Erde.

Krümmung der Raumzeit

Experimentelle Belege der ART

Einsteins Theorie revolutionierte die gängige Vorstellung der Gravitation, die seit Isaak Newton Bestand hatte. Doch sie musste zunächst einmal experimentell belegt werden, was zu Zeiten Einsteins aufgrund der geringen technischen Möglichkeiten nicht möglich war. Inzwischen gibt es aber einige experimentelle Befunde, die die ART in überragender Genauigkeit belegen.

Zum einen konnte die Lichtablenkung im Schwerefeld während einer Sonnenfinsternis bewiesen werden. In den Teleskopen der Physiker war ein Stern sichtbar, der eigentlich hinter der Sonne in ihrem Schatten liegt. Doch sein Licht wird aufgrund der Gravitation der Sonne um sie herumgelenkt und für uns sichtbar.

Lichtablenkung_im_Schwerefeld.jpg

Ebenso konnte man nachweisen, dass Uhren langsamer gehen, indem man die Laufzeit eines Radarsignals von der Erde zur Venus und wieder zurück maß. Da das Signal die Sonne passierte, war es geringfügig langsamer als es sein müsste.

Abschließend gelang es erst durch die ART die Periheldrehung des Merkur korrekt zu beschreiben.

Videos und Übungen in Allgemeine Relativitätstheorie

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Arbeitsblätter zum Ausdrucken zum Thema Allgemeine Relativitätstheorie

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