Comic: Albert Einstein zeigt einem Bürger die Zeit (Foto: SWR, SWR -)

Albert Einstein & der gekrümmte Raum Die Relativitätstheorie wird 100

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E=mc2: Das ist eine der bekanntesten Formeln der Welt. Energie = Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Sie steht praktisch stellvertretend für die Relativitätstheorie von Albert Einstein. In diesem Jahr wird die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein 100.

Metin Tolan ist Professor für experimentelle Physik an der TU Dortmund. Er ist dafür bekannt, dass er komplexe Themen gut verständlich erklären kann. Dafür hat er vor zwei Jahren den Communikator-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft bekommen. Seine Bücher und Vorträge heißen zum Beispiel: "James Bond und die Physik" Oder "Manchmal gewinnt der bessere – die Physik des Fußballs".

Herr Tolan, es gibt doch kaum jemanden, der die Relativitätstheorie von Einstein komplett versteht. Mal ehrlich – haben Sie sie verstanden?

Tolan: Unter Verstehen versteht man, dass man eine Theorie durchdringt, auch von der mathematischen Seite her, dass man ihre Konsequenten erkennt. Da muss ich sagen: ja, ich habe das schon kapiert.

Metin Tolan (Foto: SWR, picture-alliance / dpa -)
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Wenn es darum geht, diese Theorie auch in Experimenten nachzuprüfen, dann ist das gerade bei der allgemeinen Relativitätstheorie etwas schwierig.

Können Sie mir diese Theorie in fünf Minuten erklären?
Ja, ich glaube schon, aber es gibt ja zwei Relativitätstheorien, die allgemeine und die spezielle. Die spezielle Theorie basiert auf der Formel E=mc2. Das bedeutet eigentlich, dass für einen Physiker Masse und Energie gleich sind, sie sind proportional zueinander, sie unterscheiden sich nur durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Diese Theorie ist übrigens schon 110 Jahre alt, sie war sehr weitreichend, denn sie zeigt, warum Kernspaltung funktioniert, weil da ein Quantum Masse verwandelt wird in Energie.

Einsteins berühmte Formel (Foto: Colourbox, Colourbox -)
Einsteins berühmte Formel Colourbox -


Die allgemeine Relativitätstheorie hingegen, die jetzt 100 Jahre alt geworden ist, macht Aussagen über die Struktur des Raums im Kosmos. Das können Sie sich so vorstellen: Legen Sie ein Blatt Papier flach auf den Tisch, dann haben Sie einen zweidimensionalen Raum, und der ist eben. Und wir glauben alle, in so einem ebenen allerdings natürlich dreidimensionalen Raum zu leben. Aber wenn Sie nun in diesen Raum eine Masse hineintun oder eine Energie, also etwa unsere Sonne oder unsere Erde, dann wird dieser Raum gekrümmt, also: Das Papier, das auf dem Tisch liegt, wird an den Seiten angehoben. Das wird versursacht durch Masse oder Energie, und auch die Zeit wird verändert, sie vergeht in der Nähe einer schweren Masse langsamer.

Hat das auch mit schwarzen Löchern zu tun?
Nein, nein, es ist so: Eine Konsequenz der Theorie ist: es gibt auch Massen, die den Raum so stark krümmen, dass der Raum quasi durchbricht, es entsteht, wie wir das nennen, eine Singularität, das heißt: Das ist wie ein Abfluss, da gehen halt Sachen rein und kommen nicht mehr raus. Währenddessen unsere Sonne lediglich eine Delle im Raum produziert.

Lassen sich auch Schwarze Löcher mit Einsteins Relativitätstheorie erklären? (Foto: Colourbox, Colourbox -)
Lassen sich auch Schwarze Löcher mit Einsteins Relativitätstheorie erklären? Colourbox -


Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Gummiband im Raum gespannt, da legen Sie nun eine schwere Murmel drauf, dann reißt das Band durch und: Sie haben ein schwarzes Loch.

Was ist so revolutionär an dieser allgemeinen Relativitätstheorie?
Weil Einstein das, was wir vorher als Gravitationskraft genannt haben, auf etwas Anderes zurückgeführt hat. Newton hat uns ja gelehrt, es gibt eine Kraft, die hält alles schön geordnet in unserem Sonnensystem, die Planeten bleiben deshalb auf ihren Bahnen um die Sonne, weil sie von der Sonne angezogen werden. Einstein zeigt uns aber: das sieht nur so aus, in Wirklichkeit ist die Form des Raumes dafür verantwortlich, dass sich die Erde um die Sonne bewegt. Die Sonne erzeugt ja durch ihre Masse einen kleinen Trichter und die Erde bewegt sich in diesem Trichter.

Was hat die Theorie mit unserem Alltag zu tun?

Sehr viel. Denken Sie an das GPS. Das verwenden wir ja alle. Ohne diese Einsteinsche Kenntnis von Raum und Zeit ist es so, dass unsere Navigationssysteme nicht funktionieren würden. Das geht so: Sie schicken quasi hochgenaue Uhren in eine Erd-Umlaufbahn, aufgrund der Laufzeit, die die Signale von den Uhren zu Ihrem Auto brauchen und zurück, kann man die Position des Autos genau bestimmen.

Wenn jetzt die Uhr aber nicht genau genug geht, dann wird auch Ihre Position falsch bestimmt. Und nun ist es so: Weil sich in der Nähe der Erde aufgrund Einsteins Theorie die Zeit ein bisschen verändert, muss man die Zeit korrigieren, und diese Korrektur sorgt dafür, dass unsere Systeme so genau sind. Ohne diese Korrektur, die Einsteins Theorie möglich macht, würde Ihr Navigationssystem pro Tag eine Genauigkeit von einem Kilometer einbüßen. Sie könnten das GPS gar nicht mehr verwenden.

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