Die 119 Jahre alte spezielle Relativitätstheorie und die 109 Jahre alte allgemeine Relativitätstheorie, zu welcher ist sie relativ?

Prüfungsexperte: Qian Hang

Experte für Luft- und Raumfahrtwissenschaften der First Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation

Wenn Sie Naturwissenschaften studieren und Naturwissenschaften studieren möchten, müssen Sie zwei „Berge“ erklimmen, die Einstein hinterlassen hat: Einer ist die Relativitätstheorie, und der andere ist immer noch die Relativitätstheorie.

Wenn es um Einstein geht, ist E=MC² für viele Menschen der erste Eindruck von ihm, und auch diese „Internet-Promi-Formel“ stammt aus der Relativitätstheorie.

Seit der Geburt der speziellen Relativitätstheorie sind 119 Jahre vergangen, und auch die allgemeine Relativitätstheorie hat bereits 109 Jahre auf dem Buckel. Worauf genau bezieht sich also das „Relative“ in der Relativitätstheorie, auf die Beziehung zueinander?

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Stimmt die alte Legende, dass „ein Tag im Himmel hundert Jahren auf der Erde entspricht“, mit dem Konzept der Zeitdilatation in der Relativitätstheorie überein?

Lassen Sie uns heute in dieses Rätsel der Reisen durch Zeit und Raum eintauchen!

Spezielle Relativitätstheorie: Neugestaltung des Raum- und Zeitkonzepts

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Die spezielle Relativitätstheorie ist eine Theorie, die Albert Einstein im Jahr 1905 vorschlug. Sie stellte die absolute Sichtweise von Raum und Zeit in der Newtonschen Mechanik auf den Kopf und entwickelte ein neues Konzept von Raum und Zeit. Das „Relativ“ in der speziellen Relativitätstheorie bezieht sich hauptsächlich auf die Relativität zwischen verschiedenen Inertialsystemen.

In der speziellen Relativitätstheorie gibt es zwei Kernannahmen: das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und das Äquivalenzprinzip . Das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit besagt, dass in jedem Trägheitsbezugssystem die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist und nicht vom Bewegungszustand des Beobachters abhängt. Dieses Prinzip bricht mit dem Konzept der Geschwindigkeitsüberlagerung in der Newtonschen Mechanik und führt zu erstaunlichen relativistischen Effekten wie Zeitdilatation und Längenkontraktion.

Das Äquivalenzprinzip besagt, dass es in einem lokalen Bereich experimentell unmöglich ist, zwischen einem gleichmäßigen Gravitationsfeld und einem beschleunigenden Bezugssystem zu unterscheiden. Dies bedeutet, dass ein beschleunigtes Bezugssystem so betrachtet werden kann, als ob es sich im Ruhezustand befände, und dass die physikalischen Gesetze in diesen Bezugssystemen dieselben bleiben. Dieses Prinzip legte den Grundstein für den Vorschlag der allgemeinen Relativitätstheorie.

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Die spezielle Relativitätstheorie sagte auch die Masse-Energie-Beziehung E=mc² voraus, die die Äquivalenz zwischen Masse und Energie offenbart. Es zeigt uns, dass Masse und Energie ineinander umgewandelt werden können und bietet eine theoretische Grundlage für die Nutzung der Kernenergie.

Allgemeine Relativitätstheorie: Die Verflechtung von Gravitation und Raumzeit

Quelle: Institut für Theoretische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Die allgemeine Relativitätstheorie ist eine Theorie, die Einstein im Jahr 1915 vorgeschlagen hat. Sie stellt eine Weiterentwicklung der speziellen Relativitätstheorie dar und bezieht die Schwerkraft in das System von Raum und Zeit ein. Das „Relative“ in der allgemeinen Relativitätstheorie beinhaltet nicht nur die Relativität zwischen verschiedenen Trägheitsbezugssystemen, sondern auch die Krümmung der Raumzeit im Gravitationsfeld .

In der allgemeinen Relativitätstheorie krümmt die Anwesenheit von Materie die umgebende Raumzeit und die Bewegung von Objekten wird durch diese gekrümmte Raumzeit beeinflusst. Diese Idee der Krümmung der Raumzeit revolutionierte unser Verständnis der Schwerkraft. Die Schwerkraft ist keine Fernwirkung mehr, sondern eine Manifestation der Struktur von Raum und Zeit selbst.

Quelle: Science-Fiction-Weltraum

Die allgemeine Relativitätstheorie sagt viele erstaunliche Phänomene voraus, wie etwa Schwarze Löcher und Gravitationswellen . Ein Schwarzes Loch ist ein Himmelskörper, in dem bestimmte Bereiche der Raumzeit so stark verzerrt sind, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Gravitationswellen sind Störungen im Gravitationsfeld, die sich wie Wasserwellen durch Raum und Zeit ausbreiten. Diese Vorhersagen wurden durch zahlreiche hochpräzise Experimente bestätigt, was die Richtigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie weiter unter Beweis stellt.

Darüber hinaus ist die allgemeine Relativitätstheorie die theoretische Grundlage der modernen Kosmologie. Es erklärt kosmische Phänomene wie den Urknall und die Strahlung Schwarzer Löcher und offenbart uns den Ursprung und die Entwicklung des Universums.

Obwohl die Allgemeine Relativitätstheorie bereits 1915 feststellte, dass „die Zeit umso langsamer geht, je stärker das Gravitationsfeld ist“, gelang die erste präzise experimentelle Überprüfung erst 1976: Damals schickten Wissenschaftler mit einer Rakete eine Atomuhr auf eine Höhe von 10.000 Kilometern und stellten fest, dass sie alle 73 Jahre etwa eine Sekunde schneller ging als die Uhr auf Meereshöhe.

Im Jahr 2022 veröffentlichte ein Forschungsteam unter der Leitung des chinesischen Wissenschaftlers Ye Jun einen Artikel in der Zeitschrift Nature. Mithilfe der von dem Team entwickelten genauesten Atomuhr der Welt kamen sie zu dem Schluss, dass der Zeitunterschied etwa ein Billionstel eines Billionstel Millimeters beträgt. Diese Forschung ist zugleich das Experiment zur Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie auf der bislang kleinsten Skala.

Also, meine lieben jungen Freunde, wenn Sie das nächste Mal das Wort „Relativität“ hören, denken Sie an die Geschichte dieser beiden Hundertjährigen. Sie sagen uns, dass die Welt nicht so einfach ist, wie wir uns das vorstellen, sondern voller endloser Geheimnisse und Möglichkeiten steckt.

Vielleicht können auch Sie in Zukunft ein Wissenschaftler werden, der diese Geheimnisse aufdeckt!