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Technische Yschränkung: Dr koräkt Titel wär: »Relativitätstheorie«

| Der Titel vu dem Artikel isch mehdütig. Für andere Bedeutungen siehe Relativität.

D' Relativitätstheorie befasst sich mit dr Struggtur vo Ruum und Zyt aber au mit dem Wesen vo dr Gravitation. Sie bestooht us zwey massgäbligg vom Albert Einstein geschaffene physikalische Theorie, dr 1905 veröffentliggte spezielle Relativitätstheorie und dr 1916 abgeschlossenen allgemeine Relativitätstheorie. Die spezielli Relativitätstheorie beschrybt s Verhalte vo Ruum und Zyt us dr Sicht vo de Beobachter, wo sich relativ zu-ne-nand bewege, und de dodermit verbundene Phänomen. Druff uffbauend fiehrt die allgemeini Relativitätstheorie d' Gravitation uf e Krümmig vo Ruum und Zyt zrugg, wo unter anderem durch die beteiligte Massene verursacht wird.

D' Relativitätstheorie het s Verständnis vo Ruum und Zyt revolutioniert und Phänomen aufdeggt, wo sich der anschauliche Vorstellig entziehn. Die betreffende Phänomen löhn sich aber mathematisch präzis beschrybe und sin experimentell beschtens bestätigt.

D' Relativitätstheorie stellt eini vo de zwei Süüle vom Theoriegebäude vo dr Physik dar. D' Vereinigung mit der Quantentheorie, wo die zweiti Süüle repräsentiert, isch bishär nid vollschtändig glunge und zellt zue de gröschte Uuseforderige vo dr physikalische Grundlagefoschig. Beidi Theorie enthalte ihre Vorgänger, die newtonschi Physik, als Gränzfall und erfülle dodermit s sogenannte Korrespondenzprinzip.

In däm Artikel werde die grundlegende Strukture und Phänomen nur zäsammefassend uffgefiehrt. Für Erlüterige und Details luegsch bitte in de Artikel spezielli Relativitätstheorie und allgemeini Relativitätstheorie oder au in de Verwiis im Text.

## [ändere] Die spezielli Relativitätstheorie

  Hauptartikel: spezielli Relativitätstheorie

### [ändere] Relativität vo Ruum und Zyt

Die beide folgende Feschtstellige löhn sich als Axiom vo dr Relativitätstheorie interpretiere, wo alles Wiitere druss härgeleitet werde kah:

Bild:Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.png
Beidi Beobachter mässe für d Gschwindigkeit vom Licht dr gliichi Zahlewärt, obwohl dr Linki sich bewegt.

- Mässe verschiedeni Beobachter d' Gschwindigkeit vomene Liechtstrahl relativ zu ihrem Standort, denn kömme Sie unabhängig vo ihrem eigene Bewegigszustand zum gliiche Ergäbnis. Das sogenannte Prinzip vo dr Konstanz vo dr Liechtgschwindigkeit isch mit unserem Alltagsverständnis vo Ruum und Zyt nid erklärbar, sondern erschiint paradox.
- Die physikalischen Gesetz hänn für alli Beobachter, wo sich mit konstanter Gschwindigkeit bewege, das heisst für die wo keiner Beschleunigung unterliege, die gliichi Gstalt. Dä Umstand nennt me Relativitätsprinzip. Me reedet vo Inertialsystem, wo sich die Beobachter drin befinde.

Zur Ufflösig vom obe beschriibene schiinbare Paradoxon mien intuitivi Vorstellige vomene absolute Ruum und ere absolute Zyt uffgeh wärde: Ruum- und Zytahgoobe sinn in dr Relativitätstheorie keini universell gültige Ordnigsstrukture, sondern dr rüümlichi und zeitlichi Abstand vo zwei Ereignis und dodermit wird au ihri Gliichzeitigkeit vo Beobachter mitunterschiidligge Bewegigszuständ unterschiedligg beurteilt. D' Froog, wer d' Situation korrekt beschrybt, isch prinzipiell nid z' beantworte und dorum sinnlos. Bewegti Objekt erweise sich im Vergliich zum Ruhezustand in dr Bewegungsrichtig als verkürzt, und bewegti Uhre als verlangsamt. Die Längekontraktion und Zytdiletation löhn sich vergleichswys ahschauligg anhand vo Minkowski-Diagramm und anhand dom bekannte Zwillingsparadoxon noochvollzieh. In dr mathematische Formulierig ergänn sie sich aus dr Lorentz-Transformation, wo dr Zämmehang zwüsche de Ruum- und Zytkoordinate vo de verschiedene Beobachter beschrybt. Die Transformation losst sich diräkt uss de beide obrige Axiom und dr Annahm, ass sie linear isch, härleite.

All die Phänomen mache sich erscht bi Gschwindigkeite bemerkbar, wo im Vergliich zur Liechtgeschwindigkeit ins Gwicht falle, so ass sie in unserem Alltag nid uffalle.

### [ändere] Äquivalenz vo Masse und Energie

  Hauptartikel: Äquivalenz vo Masse und Energie

Eeme System mit dr Masse m lost sich au im unbewegte Zuestand e Energie E zueordne und zwor nach

wobii c d' Gschwindigkeit vom Licht isch. Die Formle isch eini vo de beriemteschte in dr Physik. Oft wird irrefierend behauptet, si heigi d Entwigglig vo dr Atombombe ermöglicht. Richtig isch, ass drmit d Wirkigswiis vo dr Atombombe nid erklärt werde ka. Allerdings hett me sch bi dr Entdeggig vo dr Kärnspaltig mit dere Formle und de scho bekannte Masse vo de Atom durch d' Lise Meitner die enormi Freisetzig vo Energie könne berächne. Die Massenabnahm tritt au bi chemische Reaktione uff, isch aber für die domolige Mässmethode z' klei gsi, anderscht als im Fall vo de Kernreaktione.

### [ändere] Vereinigung vo Ruum und Zyt zur Ruumzyt

Ruum und Zit erschiene in de Grundglichige vo dr Relativitätstheorie formal witgehend glichwärtig näbenenander und löhn sich dorum zuenere vierdimensionale Ruumzit vereinige. Dr Umstand, ass mir Ruum und Zit als unterschiedliggi Phänomen wohrnäme, und au alli andere Unterschied zwüsche Ruum und Zit, löhn sich letschtlig uff ei einzigs Vorzeiche zruggfiere, wo sich durch d' Art und Wiis, wiene Abstand im euklidische Ruum definiert wird, vo dr Bestimmig vom Abstand in dr vierdimensionale Ruumzeit unterscheidet. Us gwöhnliche Vektore im dreydimensionale Ruum wärde doderbi sogenannti Vierervektore.

### [ändere] Liechtgschwindigkeit als Gränze

Kein Objekt, keine Welle und damit auch keine Information kann sich schneller bewegen als das Licht. Nähert sich die Geschwindigkeit eines materiellen Objektes der Lichtgeschwindigkeit, so strebt der Energieaufwand für eine weitere Beschleunigung über alle Grenzen. Zum Erreichen der Lichtgeschwindigkeit müsste unendlich viel Energie aufgebracht werden.

Dieser Umstand ist eine Folge der Struktur von Raum und Zeit und keine Eigenschaft des Objekts, wie beispielsweise eines lediglich unvollkommenen Raumschiffes. Könnte sich ein Objekt mit Überlichtgeschwindigkeit von A nach B bewegen, so könnte man immer Beobachter finden, die eine Bewegung von B nach A wahrnehmen würden, wiederum ohne dass die Frage, wer die Situation korrekt beschreibt, einen Sinn gäbe. Das Kausalitätsprinzip wäre dann verletzt, da die Reihenfolge von Ursache und Wirkung nicht mehr definiert wäre. Ein solches Objekt würde sich übrigens für jeden Beobachter mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen.

### [ändere] S' Relativitätsprinzip

Aus dem Relativitätsprinzip folgt unmittelbar, dass es keine Möglichkeit gibt, eine absolute Geschwindigkeit eines Beobachters im Raum zu definieren beziehungsweise zu ermitteln, da es andernfalls im Widerspruch zum Relativitätsprinzip ein absolut ruhendes Bezugssystem gäbe, für das die Gesetze der Physik eine besonders einfache Gestalt annehmen würden. So scheiterten auch alle entsprechenden Versuche wie beispielsweise das berühmte Michelson-Morley-Experiment von 1887, mit dem man die Existenz eines im Kosmos ruhenden Äthers als Träger elektromagnetischer Wellen nachweisen wollte.

Das Relativitätsprinzip an sich ist wenig spektakulär, denn es gilt auch für die newtonsche Mechanik. Es widersprach vor den Entdeckungen Einsteins jedoch den Gesetzen der Elektrodynamik und man neigte dazu, es aufzugeben. Durch die Aufgabe der konventionellen Vorstellungen von Raum und Zeit gelang es Einstein, den Widerspruch aufzulösen. Nicht zufällig waren es Experimente und Überlegungen zur Elektrodynamik, die zur Entdeckung der Relativitätstheorie führten. So lautete der unscheinbare Titel der einsteinschen Publikation von 1905 „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, der nicht gerade einen Umsturz der bis dahin gültigen Vorstellungen von Raum und Zeit erwarten ließ.

### [ändere] Magnetfälder in dr Relativitätstheorie

Die Existenz magnetischer Kräfte ist untrennbar mit der Relativitätstheorie verknüpft. Eine isolierte Existenz des coulombschen Gesetzes für elektrische Kräfte wäre nicht mit der Struktur von Raum und Zeit verträglich. So sieht ein Beobachter, der relativ zu einem System statischer elektrischer Ladungen ruht, kein Magnetfeld, anders als ein Beobachter, der sich relativ zu ihm bewegt. Übersetzt man die Beobachtungen des ruhenden Beobachters über eine Lorentz-Transformation in die des bewegten, so stellt sich heraus, dass dieser neben der elektrischen Kraft eine weitere wahrnimmt, die sich hinsichtlich ihrer mathematischen Struktur völlig mit den bekannten Gesetzen für Magnetfelder deckt. Die Existenz des Magnetfeldes in diesem Beispiel lässt sich daher auf die Struktur von Raum und Zeit zurückführen. Unter diesem Gesichtspunkt wirkt auch die im Vergleich zum Coulombgesetz komplizierte und auf den ersten Blick wenig plausible Struktur des vergleichbaren Biot-Savartschen Gesetzes für Magnetfelder weniger verwunderlich. Im mathematischen Formalismus der Relativitätstheorie werden das elektrische und das magnetische Feld zu einer Einheit, dem vierdimensionalen elektromagnetischen Feldstärketensor, zusammengefasst, ganz analog zur Vereinigung von Raum und Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit.

## [ändere] Die allgemeini Relativitätstheorie

  Hauptartikel: Allgemeini Relativitätstheorie

### [ändere] Gravitation und d' Krümmig vom Ruum

Die allgemeine Relativitätstheorie führt die Gravitation auf ein geometrisches Phänomen in einer gekrümmten Raumzeit zurück, indem sie feststellt:

- Masse krümmt die Raumzeit in ihrer Umgebung.

- Ein Gegenstand, auf den nur gravitative Kräfte wirken, bewegt sich zwischen zwei Punkten in der Raumzeit stets auf einer sogenannten Geodäte.

Entzieht sich die vierdimensionale Raumzeit der speziellen Relativitätstheorie bereits einer anschaulichen Vorstellbarkeit, so gilt das für eine zusätzlich gekrümmte Raumzeit erst recht. Zur Veranschauung kann man jedoch Situationen mit reduzierter Anzahl von Dimensionen betrachten. So entspricht im Fall einer 2-dimensionalen gekrümmten Landschaft die geradlinige Strecke dem Weg, den ein Fahrzeug mit geradeaus fixierter Lenkung nehmen würde. Würden zwei solche Fahrzeuge am Äquator nebeneinander exakt parallel Richtung Norden starten, dann würden sie sich am Nordpol treffen. Ein Beobachter, dem die Kugelgestalt der Erde verborgen bliebe, würde daraus auf eine Anziehungskraft zwischen den beiden Fahrzeugen schließen. Es handelt sich aber um ein rein geometrisches Phänomen. Gravitationskräfte werden daher in der allgemeinen Relativitätstheorie gelegentlich auch als Scheinkräfte bezeichnet.

Da der geodätische Weg durch die Raumzeit von ihrer Geometrie und nicht von der Masse des fallenden Körpers abhängt, fallen alle Körper im Gravitationsfeld gleich schnell, wie bereits Galilei feststellte. Dieser Umstand wird in der newtonschen Mechanik durch die Äquivalenz von träger und schwerer Masse beschrieben, die auch der allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegt.

### [ändere] Uhre im Gravitationsfäld

In der allgemeinen Relativitätstheorie hängt der Gang von Uhren nicht nur von ihrer relativen Geschwindigkeit ab, sondern auch von ihrem Ort im Gravitationsfeld. Eine Uhr auf einem Berg geht schneller als eine im Tal. Dieser Effekt ist zwar im irdischen Gravitationsfeld nur gering, er wird jedoch beim GPS-Navigationssystem zur Vermeidung von Fehlern bei der Positionsbestimmung über eine entsprechende Frequenzkorrektur der Funksignale berücksichtigt.

### [ändere] Die mathematischi Struktur vo dr allgemeine Relativitätstheorie

Während die spezielle Relativitätstheorie auch mit relativ geringen mathematischen Kenntnissen nachvollziehbar ist, ist die allgemeine Relativitätstheorie deutlich anspruchsvoller. Die Beschreibung einer krummen Raumzeit erfolgt mit den Methoden der Differentialgeometrie, die die euklidische Geometrie des uns vertrauten flachen Raumes ablöst. Die Entstehung der Krümmung wird durch die einsteinschen Feldgleichungen beschrieben. Dabei handelt es sich um Differentialgleichungen eines Tensorfeldes mit zehn Komponenten, die nur in speziellen Fällen analytisch, das heißt in Form einer mathematischen Gleichung, lösbar sind.

### [ändere] Kosmologie

Während die spezielle Relativitätstheorie bei Anwesenheit von Massen nur in Gebieten der Raumzeit gilt, die so klein sind, dass die Krümmung vernachlässigt werden kann, kommt die allgemeine Relativitätstheorie ohne diese Einschränkung aus. Sie kann somit auch auf das Universum als Ganzes angewandt werden und spielt daher in der Kosmologie eine zentrale Rolle. So wird die Expansion des Weltalls, die die Astronomen beobachten, durch die friedmannschen Lösungen der einsteinschen Feldgleichungen in Kombination mit einer sogenannten kosmologischen Konstanten angemessen beschrieben. Danach begann diese Expansion mit dem Urknall, der nach den jüngsten Untersuchungen vor 13,7 Milliarden Jahren stattgefunden hat, und der auch als der Beginn von Raum und Zeit angesehen werden kann. Dabei war das gesamte Universum auf einem Raumgebiet vom Durchmesser der Planck-Länge konzentriert.

### [ändere] Schwarzi Löcher

Eine weitere Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie sind Schwarze Löcher. Einstein konnte sich mit diesem Gedanken nicht anfreunden, und meinte, es müsse einen Mechanismus geben, der die Entstehung solcher Objekte verhindert. Heutige Beobachtungen legen aber nahe, dass es solche Schwarzen Löcher im Universum tatsächlich gibt und zwar als Endstadium der Sternentwicklung bei sehr massereichen Sternen und in den Zentren nahezu aller Galaxien.

### [ändere] Gravitationswälle

Schließlich folgt aus der allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen, lokalen Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie sollten bei der Beschleunigung von Massen entstehen. Diese Deformationen sind jedoch dermaßen klein, dass sie sich bis heute einem direkten Nachweis entzogen haben. Eine vergleichsweise nahe Supernovaexplosion im Jahre 1987 sollte Gravitationswellen erzeugt haben, die nachweisbar gewesen wären. Diese Jahrhundertchance wurde jedoch verpasst, da mangels Absprache sämtliche Gravitationswellendetektoren weltweit in den entscheidenden Sekunden zu Wartungszwecken abgeschaltet waren. Immerhin konnte aus Beobachtungen an Doppelsternsystemen mit Pulsaren die Existenz von Gravitationswellen indirekt bestätigt werden. Russell Hulse und Joseph Taylor erhielten dafür 1993 den Nobelpreis für Physik.

## [ändere] Entstehigsgschicht

### [ändere] Überwinde vo dr euklidische Geometrie

Bereits vor Einstein hatte es Überlegungen zur mathematischen Struktur des Raumes gegeben. So stellten die Mathematiker János Bolyai, Nikolai Iwanowitsch Lobatschewski und Carl Friedrich Gauß bereits Anfang des 19. Jahrhunderts fest, dass nicht unbedingt eine euklidische Geometrie des Raumes vorliegen müsse, und begannen, eine nichteuklidische Geometrie zu entwickeln. Diese Arbeiten blieben jedoch lange Zeit unbeachtet. Carl Friedrich Gauß publizierte seine diesbezüglichen Ergebnisse überhaupt nicht.

Zwischen 1818 und 1826 leitete Gauß die Hannoversche Landesvermessung und entwickelte dabei Verfahren mit erheblich gesteigerter Genauigkeit. In diesem Zusammenhang entstand die Vorstellung, er habe empirisch nach einer Krümmung des Raumes gesucht, indem er die Winkelsumme in einem Dreieck vermaß, das vom Brocken im Harz, dem Inselsberg im Thüringer Wald und dem Hohen Hagen bei Göttingen gebildet wird. Sie wird heute mehrheitlich als Legende angesehen, auch wenn die Möglichkeit, Gauß habe nach Abweichungen vom üblichen Wert der Winkelsumme von 180° gesucht, nicht mit letzter Konsequenz ausgeschlossen werden kann. Die Genauigkeit seiner Instrumente hätte jedoch für den Nachweis der winzigen Krümmung des Raumes im Gravitationsfeld der Erde bei weitem nicht ausgereicht. Sie ist auch heute noch nicht möglich.

Gauß' Schüler Bernhard Riemann war es, der die Differentialgeometrie krummer Räume entwickelte und 1854 vorstellte, ein Thema, das seinerzeit kaum jemand für relevant gehalten haben dürfte. Tullio Levi-Civita, Gregorio Ricci-Curbastro und Elwin Bruno Christoffel bauten die Differentialgeometrie weiter aus. Einstein fand in ihren Arbeiten einen wahren Schatz an mathematischen Werkzeugen für seine allgemeine Relativitätstheorie.

1909 wies Hermann Minkowski darauf hin, dass bereits in der speziellen Relativitätstheorie die Vereinigung von Raum und Zeit zur Raumzeit zu einer nichteuklidischen Geometrie führt, auch wenn dabei der Raum selbst noch euklidisch bleibt, ein Gedankengang, der sich in der Folge als äußerst fruchtbar erwies.

### [ändere] Ätherwind und Lorentztransformation

Mit seinen 1865 veröffentlichten Feldgleichungen hatte James Clerk Maxwell eine geschlossene Theorie von Elektrizität, Magnetismus und Optik vorgelegt, die in den folgenden Jahrzehnten experimentell glänzend bestätigt wurde. Beim Wechsel in ein bewegtes Koordinatensystem änderten die maxwellschen Gleichungen jedoch ihre mathematische Gestalt. Das war ein klarer Verstoß gegen das galileische Relativitätsprinzip und warf die Frage auf, warum Experimente zur Überprüfung der maxwellschen Theorie nicht durch die Eigenbewegung der Erde beeinträchtigt wurden.

Bild:Ätherwind.png
Wenn elektromagnetische Wellen an einen Äther gebunden wären, müsste man die Eigenbewegung von Erde und Sonne als Ätherwind messen können.

Maxwell stellte sich elektromagnetische Wellen als an ein stoffliches Medium gebunden vor. Man bezeichnete dieses Medium als „den Äther“. Als die Verletzung des Relativitätsprinzips bemerkt wurde, schloss man, dass auf der bewegten Erde eine Art Gegenwind, den man Ätherwind nannte, nachweisbar sein müsse. Alle Versuche zum experimentellen Nachweis des Ätherwindes scheiterten jedoch; Michelson und Morley konnten 1887 interferometrisch nachweisen, dass die Geschwindigkeit der Erde relativ zum Äther keinesfalls größer als ein Viertel der Bahngeschwindigkeit der Erde sein kann. Doch erst um das Jahr 1900 sprachen namhafte Physiker, darunter Paul Drude und Henri Poincaré, ihre Zweifel an der Existenz des Äthers aus.

1887 entdeckte Woldemar Voigt in einer Arbeit über den Doppler-Effekt, dass bestimmte Gleichungen beim Wechsel in ein bewegtes Koordinatensystem ihre Form behalten, sofern man Orts- und Zeitkoordinaten nicht unabhängig voneinander transformiert, sondern in bestimmter Weise verkoppelt. Unabhängig von Voigt wurde diese Koordinatentransformation 1898 von Joseph Larmor und 1899 von Hendrik Antoon Lorentz entdeckt. Sie ist heute als Lorentz-Transformation bekannt. Die darin vorkommenden verschiedenen Orts- und Zeitkoordinaten wurden jedoch lediglich als mathematische Hilfsgrößen ohne unmittelbaren Bezug zur Realität interpretiert.

1889 veröffentlichte der irische Physiker George FitzGerald eine kurze, nichtmathematische Arbeit, in der er darauf hinwies, dass das Michelson-Morley-Experiment nur erklärt werden kann, wenn man annimmt, dass die Interferometerarme ihre Länge ändern, je nachdem, welchen Winkel sie zum Ätherwind einnehmen. Lorentz kam 1892 unabhängig zum gleichen Ergebnis, das heute zumeist Lorentzkontraktion, seltener auch FitzGerald-Lorentz-Kontraktion genannt wird.

1898 wies Henri Poincaré darauf hin, dass wir keine intuitive Vorstellung von der Gleichheit zweier Zeitintervalle haben und dass Gleichzeitigkeit so definiert werden müsse, dass Naturgesetze eine möglichst einfache Gestalt haben. Im Juni 1905 veröffentlichte er, fast gleichzeitig mit Einsteins erster Arbeit zur Relativitätstheorie, einen Aufsatz Sur la dynamique de l'electron, in dem er das Relativitätsprinzip aussprach (die Unmöglichkeit, absolute Bewegung nachzuweisen, scheint ein allgemeines Naturgesetz zu sein). In der gleichen Arbeit gab er der Lorentz-Transformation ihren Namen. Den revolutionären Schritt Einsteins, aus diesen Transformationen ein neues Raum- und Zeit-Verständnis abzuleiten, vollzog er allerdings ebensowenig wie zuvor Lorentz.

Erstaunlicherweise haben sich Einstein und Poincaré niemals gegenseitig zitiert, während beide jederzeit auf die Verdienste von Lorentz hinwiesen. Lorentz seinerseits wollte sich niemals ganz von der Äthervorstellung lösen.

### [ändere] Albert Einstein

Albert Einstein schloss 1900 sein Physikstudium mit eher mittelmäßigem Erfolg ab und reichte 1905 seine Doktorarbeit ein. In dieser Zeit verdiente er seinen Lebensunterhalt als Angestellter im Patentamt von Bern, was nicht gerade eine größere Karriere erwarten ließ. In seiner freien Zeit arbeitete er jedoch intensiv an bahnbrechenden theoretischen Ideen und publizierte 1905 vier Arbeiten, von denen jede einzelne seinen Ruhm als großer Physiker hätte begründen können. In einer davon formulierte er das, was wir heute die spezielle Relativitätstheorie nennen. Diese Publikationen brachten ihm Rufe als Hochschullehrer nach Prag und bald darauf nach Zürich ein.

Aus den Bemühungen, eine mit dem Relativitätsprinzip verträgliche Beschreibung der Gravitation zu entwickeln, erwuchs in den folgenden Jahren die allgemeine Relativitätstheorie. In mühevoller Arbeit eignete sich Einstein die nötigen mathematischen Fertigkeiten an. In welchem Ausmaß und ob überhaupt seine Frau, die Mathematikerin Mileva Marić, an der mathematischen Ausformulierung beteiligt war, ist nicht rekonstruierbar. Anders als bei der speziellen Relativitätstheorie publizierte Einstein zunächst Teilergebnisse. Die endgültigen Feldgleichungen publizierte 1915 nahezu zeitgleich auch David Hilbert in einem Aufsatz, der unter dem Einfluss intensiver Diskussionen mit Einstein entstanden war. Hilbert erhob daher auch keine Ansprüche auf eine Priorität.

Einstein stellte fest, dass seine Feldgleichungen kein statisches Universum zulassen. 1917 schlug er daher die kosmologische Konstante vor, ein Zusatzterm in den Feldgleichungen, der ein zeitlich unverändertes Universum ermöglicht. 1922 stellte Alexander Friedmann Lösungen ohne kosmologische Konstante vor, für die das Universum entweder expandiert oder kollabiert. 1927 entdeckte Edwin Hubble die Expansion des Universums und bestätigte damit Friedmanns Ansatz. Einstein bezeichnete daraufhin seine kosmologische Konstante als die größte Eselei meines Lebens. Heutige Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass die kosmologische Konstante sehr wohl existiert, wenngleich mit einem anderen Wert, als für ein statisches Universum nötig wäre.

Für die Relativitätstheorie, eine der bedeutendsten Entdeckungen überhaupt, ist erstaunlicherweise kein Nobelpreis verliehen worden. Gegen eine Auszeichnung Einsteins sprach aus Sicht der Schwedischen Akademie, dass die mathematische Struktur der speziellen Relativitätstheorie von anderen ausgearbeitet worden war; eine gemeinsame Ehrung war nach dem Tod Poincarés (1912) nicht mehr möglich. Hintergründig bestand allerdings wohl auch die Befürchtung, diese abstrakte Theorie - die zu dieser Zeit kaum experimentell gestützt war - könnte letztlich falsch sein. Die Vergabe des Nobelpreises an eine falsche Theorie wäre eine Blamage für das Komitee gewesen. Als Notlösung erhielt Einstein den Nobelpreis des Jahres 1921 für seine Arbeit zum Photoeffekt aus dem Jahr 1905, die einen wichtigen Schritt in der Entwicklung der Quantentheorie darstellte. Dennoch sprach Einstein in seiner Rede bei den Feierlichkeiten zur Preisverleihung über die Relativitätstheorie.

### [ändere] Weiteri geometrischi Theorie

Nach der Erklärung der Gravitation als geometrisches Phänomen lag es nahe, auch die anderen damals bekannten Grundkräfte, die elektrische und die magnetische, auf geometrische Effekte zurückzuführen. Theodor Kaluza (1921) und Oskar Klein (1926) nahmen dazu eine zusätzliche in sich geschlossene Dimension des Raumes mit subatomarer Länge an, derart dass sie uns verborgen bleibt. Sie blieben jedoch mit ihrer Theorie erfolglos. Auch Einstein arbeitete lange vergeblich daran, eine solche einheitliche Feldtheorie zu schaffen.

Nach der Entdeckung weiterer Grundkräfte der Natur erlebten diese sogenannten Kaluza-Klein-Theorien eine Renaissance - allerdings auf der Basis der Quantentheorie. Die heute aussichtsreichste Theorie zur Vereinigung der Relativitätstheorie und der Quantentheorie dieser Art, die Stringtheorie, geht von sechs beziehungsweise sieben verborgenen Dimensionen von der Größe der Planck-Länge und damit von einer zehn- beziehungsweise elfdimensionalen Raumzeit aus.

## [ändere] Experimentelli Bestätigunge

Der erste Erfolg der speziellen Relativitätstheorie war die Auflösung des Widerspruches zwischen dem Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments und der Theorie der Elektrodynamik, der überhaupt als Anlass für ihre Entdeckung angesehen werden kann. Seither hat sich die spezielle Relativitätstheorie in der Interpretation unzähliger Experimente bewährt. Ein überzeugendes Beispiel ist der Nachweis von Myonen in der Höhenstrahlung, die auf Grund ihrer kurzen Lebensdauer nicht die Erdoberfläche erreichen könnten, wenn nicht auf Grund ihrer hohen Geschwindigkeit die Zeit für sie langsamer gehen würde, beziehungsweise sie die Flugstrecke längenkontrahiert erfahren würden.

Hingegen gab es zur Zeit der Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie einen einzigen Hinweis für ihre Richtigkeit, die Periheldrehung des Merkur. 1919 stellte Arthur Stanley Eddington bei einer Sonnenfinsternis eine Verschiebung der scheinbaren Position der Sterne nahe der Sonne fest und lieferte mit diesem sehr direkten Hinweis auf eine Krümmung des Raums eine weitere Bestätigung der Theorie.

Weitere experimentelle Tests sind im Artikel zur allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben.

Die Relativitätstheorie hat sich bis heute in der von Einstein vorgegebenen Form gegen alle Alternativen, die insbesondere zu seiner Theorie der Gravitation vorgeschlagen wurden, behaupten können. Die bedeutendste war die Jordan-Brans-Dicke-Theorie, die jedoch aufwändiger war. Ihre Gültigkeit ist bisher nicht widerlegt worden, der Bereich, den der entscheidende Parameter nach heutigem experimentellen Stand einnehmen kann, ist jedoch stark eingeschränkt.

## [ändere] Rezeption und Interpretation

### [ändere] Woohrnähmig in dr Öffentliggkeit

Die neue Sichtweise der Relativitätstheorie bezüglich Raum und Zeit erregte nach ihrer Entdeckung auch in der Allgemeinheit Aufsehen. Einstein wurde zur Berühmtheit, und es war in den 1920er Jahren in Mode, über die Relativitätstheorie zu diskutieren, auch wenn sie kaum jemand verstanden hatte. Verkürzt auf den Spruch alles ist relativ wurde sie zuweilen in die Nähe eines philosophischen Relativismus gerückt.

Kritik an der Relativitätstheorie speiste sich aus verschiedenen Quellen, wie Unverständnis, Ablehnung der fortschreitenden Mathematisierung der Physik und Ressentiments gegen Einsteins jüdische Abstammung. Ab den 1920er Jahren versuchten einige wenige offen antisemitische Physiker, namentlich die Nobelpreisträger Philipp Lenard und Johannes Stark, der Relativitätstheorie eine deutsche Physik entgegenzusetzen. Wenige Jahre nach der nationalsozialistischen Machtergreifung ging Stark mit einem Artikel in der SS-Zeitung Das Schwarze Korps vom 15. Juli 1937 gegen die im Land verbliebenen Anhänger der Relativitäts- und Quantentheorie in die Offensive. Unter anderem denunzierte er Werner Heisenberg und Max Planck als weiße Juden. Heisenberg wandte sich direkt an Himmler und erreichte seine volle Rehabilitierung; nicht zuletzt mit Blick auf die Bedürfnisse der Rüstungsentwicklung blieb die Relativitätstheorie erlaubt.

### [ändere] Erkenntnistheoretischi Implikatione

Raum und Zeit spielen eine Schlüsselrolle in der Erkenntnistheorie von Immanuel Kant. Das legt nahe, dass die Relativitätstheorie mit ihren Aussagen über Raum und Zeit auch philosophische Implikationen hat.

Für Kant sind Raum und Zeit unabhängig von jedem empirischen Inhalt, also a priori, gegebene Formen der Anschauung. Reine Anschauung ermöglicht es, reine Mathematik zu betreiben: Geometrie basiert auf Anschauung im Raum, Arithmetik basiert auf Abzählen in der Zeit. Mathematik erlaubt Synthetische Urteile a priori: „Ebensowenig ist irgendein Grundsatz der reinen Geometrie analytisch. Daß die gerade Linie zwischen zwei Punkten die kürzeste sei, ist ein synthetischer Satz. Denn mein Begriff vom Geraden enthält nichts von Größe, sondern nur eine Qualität“ (KrV, B16).

Kant nimmt also die euklidische Geometrie als Grundlage der (physikalischen) Anschauung an. An diese Vorgehensweise knüpfen heute die Protophysiker an.

Dass der physikalisch empirische (also: a posteriori) Raum der Relativitätstheorie zufolge tatsächlich gekrümmt ist, war Anfang des 20. Jahrhunderts überraschend, jedoch nicht unvereinbar mit dem erreichten Verständnis von Geometrie. Dass Raum und Zeit kommensurabel sind, weil zeitliche Größen durch Multiplikation mit der Lichtgeschwindigkeit in räumliche Größen umgerechnet werden können, so dass beide in den Gleichungen dieser Theorie strukturell nahezu gleichwertig in Erscheinung treten, war ebenfalls eine Überraschung.

Über die Mathematik hinaus findet Kant, dass auch die Naturwissenschaft (physica) synthetische Urteile a priori als Prinzipien in sich enthält, so etwa die Erhaltung der Masse (KdrV, B17). In der Relativitätstheorie tritt an Stelle der Massenerhaltung die Erhaltung der Gesamtenergie. Auch hier bestätigt die Physik die philosophische Kritik an Kant, der zu Folge synthetische Urteile a priori nicht möglich sind.

### [ändere] Schlusswort

Die Relativitätstheorie markiert wissenschaftshistorisch den Punkt, an dem die Anschauung als Mittel zum physikalischen Verständnis von Naturphänomenen zum ersten Mal grundsätzlich versagte. Raum und Zeit sind Vorbedingung für jegliche Erfahrung und können daher nicht Gegenstand dieser Erfahrung sein, wie bereits Immanuel Kant sinngemäß feststellte. Diese Situation sollte sich durch die anschließende Entdeckung der Quantentheorie mit ihrer Aufgabe strikt deterministischer Modelle und der Erkenntnis des Zufalls als fundamentalem Bestandteil der Welt noch erheblich verschärfen. Im Rahmen eines naturwissenschaftlichen Ansatzes gelingt es lediglich mit den Mitteln der Mathematik, diese Grenze erfolgreich zu überschreiten. Die Relativitätstheorie ist daher von erkenntnistheoretischer Relevanz. Vor der Formulierung der Relativitätstheorie war die Diskussion über Raum, Zeit und Kosmologie weitgehend der Philosophie und Religion vorbehalten. Der Kirchenhistoriker Adolf von Harnack stellte seinerzeit fest:

  „Man klagt darüber, dass unsere Generation keine Philosophen habe. Mit Unrecht. Sie sitzen jetzt nur in einer anderen Fakultät. Sie heißen Max Planck und Albert Einstein“.

### [ändere] Zitat

  Nicht die vollständige Relativierung von Raum und Zeit ist die positive Leistung der Theorie, sondern der Nachweis der Unabhängigkeit der Naturgesetze von der Wahl des Bezugssystems, der Invarianz des Naturgeschehens gegenüber dem Wechsel des Standpunktes des Beobachters. Infolgedessen wäre der Name „Invarianten-Theorie des Naturgeschehens“ oder, wie gelegentlich vorgeschlagen wurde, „Standpunktlehre“ bezeichnender als der gebräuchliche Name „allgemeine Relativitätstheorie“. – Arnold Sommerfeld

## [ändere] Literatur

- Albert Einstein, Leopold Infeld: Die Evolution der Physik. Zsolnay, Hamburg 1950, Rowohlt, Reinbek 1987. ISBN 3-499-18342-0
- Albert Einstein: Grundzüge der Relativitätstheorie. Springer, Berlin 62002. ISBN 3-540-43512-3 (Originaltitel Meaning of relativity)
- Hans Stephani: Allgemeine Relativitätstheorie. Dt. Verl. der Wiss., Berlin 41991. ISBN 3326000839
- Julian Schwinger: Einsteins Erbe. Die Einheit von Raum und Zeit. Spektrum, Heidelberg 2000. ISBN 3-8274-1045-2 (leicht verständliche Einführung für Laien)
- David Bodanis: Bis Einstein kam. Die abenteuerliche Suche nach dem Geheimnis der Welt. Fischer, Frankfurt am Main 2003. ISBN 3-596-15399-9 (leicht verständliche Einführung zum Verständnis der Relativitätstheorie und der vorher geläufigen Lehrmeinungen, erläutert z. B. in eigenen Kapiteln ausführlich E, m, c² und sogar das Gleichheitszeichen)
- Ernst Cassirer: Zur Einsteinschen Relativitätstheorie. Erkenntnistheoretische Betrachtungen. Meiner, Hamburg 2001. ISBN 3-7873-1410-5
- Jürgen Freund: Relativitätstheorie für Studienanfänger - ein Lehrbuch. vdf Hochschulverlag, Zürich 2004. ISBN 3-7281-2993-3 (leicht verständliche Einführung; Mindestvoraussetzung Abitur, einige Kapitel online)
- Holger Müller, Achim Peters: Einsteins Theorie auf dem optischen Prüfstand - Spezielle Relativitätstheorie. in: Physik in unserer Zeit. 35.2004,2, S.70–75. ISSN 0031-9252
- Hubert Goenner: Spezielle Relativitätstheorie und die klassische Feldtheorie. Elsevier - Spektrum Akademischer Verlag, München 2004. ISBN 3-8274-1434-2
- Wolfgang Nolting: Grundkurs Theoretische Physik. Bd 4. Spezielle Relativitätstheorie, Thermodynamik. Springer, Berlin 2003. ISBN 3-5404-2116-5
- Gerald Kahan: Einsteins Relativitätstheorie - zum leichten Verständnis für jedermann. Dumont, Köln 1987, 2005. ISBN 3-7701-1852-9
- Max Born: Die Relativitätstheorie Einsteins, 7.Auflage, Springer Verlag 2003, bearbeitet von Jürgen Ehlers und Markus Pössel, ISBN 3540679049

## [ändere] Weblinks

- Tempolimit Lichtgeschwindigkeit - Visualisierig vo de Phänomen in dr Relativitätstheorie
- Einstein Online
- Zur technische Aawendig vo dr Allgemeine Relativitätstheorie in GPS-System
- Zur Geschicht vo der spezielle Relativitätstheorie
- Online-Kurs „Spezielli Relativitätstheorie“ (mit Geogebra, uszeichnet mit em österrichische Bildigssoftware-Priis L@rnie 2005)

| Wikibooks: Einsteins Welt – Die Welt der Speziellen Relativitätstheorie – Lern- und Lehrmaterialien

| Wikibooks: A. Einstein, Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Kommentiert und erläutert. – Lern- und Lehrmaterialien

| Wikibooks: Spezielle Relativitätstheorie I-V – Lern- und Lehrmaterialien

### [ändere] Videos

- Real Video (Us dr Färnsehsändig Alpha Centauri):
  - Was isch Zyt in dr SRT?
  - Was isch Glychzitigkeit?
  - Wenn gültet E=mc²?
  - Was isch Zyt?
  - Was isch dr Äther gsi?
  - Was sinn Myonen?
  - Ka me mit Liechtgschwindigkeit reise?
  - Gits Überliechtgschwindigkeit?

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