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Die Relativitätstheorie befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Sie besteht aus zwei maßgeblich von Albert Einstein geschaffenen physikalischen Theorien, der 1905 veröffentlichten speziellen Relativitätstheorie und der 1916 abgeschlossenen allgemeinen Relativitätstheorie.

• zur physikalischen Beschreibung der Theorie: Relativitätstheorie
• historische Einwände gegen die Relativtitätstheorie: Kritik an der Relativitätstheorie

Entstehungsgeschichte der Relativitätstheorie

Überwindung der euklidischen 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.

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.

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.

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 und wies darauf hin, dass sie zusammen mit den Drehungen im Raum eine Gruppe bildet.

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.

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 seine Frau, die Mathematikerin Mileva Maric, an der mathematischen Ausformulierung beteiligt war, ist nicht genau rekonstruierbar. Anders als bei der speziellen Relativitätstheorie publizierte Einstein zunächst Teilergebnisse; die endgültigen Feldgleichungen fand unabhängig von ihm 1915 auch David Hilbert.

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 angeblich als die größte Eselei meines Lebens; in Wahrheit wurde ihm dieser Spruch jedoch nur von Gamow nachgesagt. 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.

Weitere geometrische Theorien

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.

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