Die Allgemeine Relativitätstheorie wurde 1916 von Albert Einstein entwickelt und beschreibt das Verhalten von Massen in einer vierdimensionalen gekrümmten Raumzeit*. Ähnlich wie bei der Speziellen Relativitätstheorie, die nur auf dem Prinzip der immer gleichen Lichtgeschwindigkeit basiert, gibt es auch hier zwei einfache Grundprinzipien, auf denen alles andere aufbaut:

Materie oder Energie krümmt die Raumzeit in ihrer Umgebung.

Ein Objekt, auf das keine Kräfte wirken, bewegt sich in der Raumzeit stets entlang des kürzesten Wegs, einer sogenannten Geodäte. Dieser kürzeste Weg ist nicht etwa immer eine gerade Linie. Er wird von einer Entfernungsdefinition, einer sogenannten Metrik des Raums bestimmt. Da Massen den Raum krümmen, bewegen sich kräftefreie Objekte in der Nähe von Massen auf gekrümmten Bahnen, die in diesem Raumbereich Geodäten sind. Wir erleben dies als Gravitationskraft, die etwa die Erde auf eine Kreisbahn um die Sonne zwingt. In Wirklichkeit ist Gravitation jedoch keine Kraft, sondern eine Eigenschaft des gekrümmten Raums.

Die 'krumme' Erdbahn ist also in Wirklichkeit der kürzeste Weg, den die Erde in der durch die Sonnenmasse gekrümmten Raumzeit beschreiben kann. Dass dieser Weg eine Kreisbahn (präziser ausgedrückt eine Ellipse) ist, heißt nun freilich nicht, dass die Gravitation der Sonne den Raum kreisförmig krümmen würde. Eine solch starke Raumkrümmung gibt es nur in der Nähe von Schwarzen Löchern. Die Sonnenmasse krümmt den Raum nur schwach, aber wir dürfen nicht vergessen, dass sich die Krümmung nicht auf den Raum allein, sondern auf die vierdimensionale Raumzeit auswirkt. Und in der Raumzeit ist die Erdbahn tatsächlich kaum gekrümmt - die Erde vollführt eine sehr schwache Schraubenbewegung, die sich nur wenig von einer geraden Bahn unterscheidet. Lediglich projiziert auf unsere drei Raumdimensionen erscheint die vierdimensionale Schraube als ein Kreis.

Schwere Uhren gehen nach

Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt als Sonderfall nicht nur die Spezielle Relativitätstheorie, sondern auch die Newtonschen Gravitationsgesetze und das von Galilei beobachtete Prinzip, dass alle Gegenstände gleich schnell fallen. Doch folgen aus ihr noch weitere Phänomene, die der alltäglichen Erfahrung weniger zugänglich sind:

Die Zeit läuft in der Nähe von Massen langsamer. Eine Uhr im Tal geht langsamer als eine auf dem Berg. Diesen Effekt kann man mit genau gehenden Atomuhren direkt messen.

Ab einer bestimmten Dichte krümmt Masse die Raumzeit um sich herum so stark, dass sie sich vom normalen Universum abschnürt und ein Schwarzes Loch bildet.

Die Veränderung großer Massen – etwa Supernova-Explosionen  oder auch sich schnell umkreisende Doppelsterne – erzeugt Gravitationswellen. Dies sind Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Der experimentelle Nachweis von Gravitationswellen ist schwierig. Bisherige Versuche waren erfolglos. Derzeit sind überall auf der Welt immense Detektoren im Bau, mit denen man hofft, Gravitationswellen nachweisen zu können.

Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt. Daher wirken große Massenansammlungen, wie Galaxien, als Gravitationslinsen. Diesen Effekt nutzt die Astronomie zur Bestimmung der Entfernung von Quasaren.

Im Gravitationsfeld erfährt Licht eine Rotverschiebung, die sich in astronomischen Phänomenen wie dem Finger Gottes bemerkbar macht.

Bestätigung aus Afrika

Kurz nach der Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie wurde sie 1919 erstmals experimentell überprüft. Dieses Experiment fand nicht etwa in einem physikalischen Labor statt, sondern im Rahmen einer Expedition auf einer Vulkaninsel im Golf von Guinea in Westafrika. Der Astronom Arthur Stanley Eddington beobachtete dort die Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919. Er stellte fest, dass Lichtstrahlen von Sternen direkt am Rand der abgedunkelten Sonnenscheibe genau um den Betrag von 1,75 Bogensekunden** abgelenkt wurden, den Einstein vorherberechnet hatte. Diese Übereinstimmung machte die Theorie auf einen Schlag berühmt. Seither wurden unzählige weitere Experimente unternommen, um die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen. Nach unseren heutigen Erkenntnissen beschreibt die Theorie exakt die Eigenschaften des Raums, in den unser Universum eingebettet ist.


* Man könnte vermuten, dass die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit eine fünfte Dimension bedingt, in die die Raumzeit hinein gekrümmt ist. Eine solche fünfte Dimension wäre jedoch weder mathematisch erforderlich noch physikalisch zugänglich. Es gäbe kein Experiment, das irgendwelche Aussagen über eine fünfte Dimension gewinnen könnte. Daher wird dieser Dimension – anders als den 'eingerollten' Dimensionen der Stringtheorie – in der Naturwissenschaft keine Realität zugeschrieben.

** 1 Bogensekunde = 1/3600 Winkelgrad.

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