Philosophie der Naturwissenschaften

Philosophische Probleme der Physik

Weltanschauliche Bedeutung der allgemeinen Relativitätstheorie

In der allgemeinen Relativitätstheorie formuliert Einstein die Prinzipien der Gravitationstheorie als Feldtheorie, die zur Grundlage eines neuen physikalischen (nicht-mechanischen) Weltbildes wird. Zusammenfassend zur weltanschaulichen Bedeutung der allgemeinen Relativitätstheorie bemerkte Einstein, dass „früher angenommen wurde, dass Raum und Zeit bestehen bleiben würden, selbst wenn die gesamte Materie aus dem Universum verschwände; die Relativitätstheorie besagt jedoch, dass mit der Materie auch Raum und Zeit verschwinden würden“.

Die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie (ART) bilden:

1. das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (die maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen jeglicher Art entspricht der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum);
2. das Äquivalenzprinzip (Trägheits- und Gravitationsmasse sind identisch);
3. das Prinzip der Geometrisierung physikalischer Wechselwirkungen (die Wirkung der Gravitation zeigt sich als Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums in Abhängigkeit von der Materieverteilung). Die universelle Konstante dieser Verbindung von Raum, Zeit und Materie ist die Gravitationskonstante γ = 6,672 × 10⁻¹¹ m³/(kg·s²));
4. das Prinzip der Lokalität der Metrik des Raum-Zeit-Kontinuums.

Der erste experimentelle Nachweis der allgemeinen Relativitätstheorie war die Ablenkung des Lichts nahe dem Rand der Sonne, beobachtet während einer totalen Sonnenfinsternis im Jahr 1919. Ziel des Experiments in Afrika war die präzise Vermessung der Positionen der Sterne vor und nach der Finsternis. Getestet wurden drei Hypothesen: die Berechnung der Ablenkung nach Newton, nach Einstein oder keine Ablenkung. Die Beobachtungen bestätigten Einsteins Berechnungen, nach denen eine stärkere Lichtkrümmung zu erwarten war.

Der zweite Nachweis der ART war die Übereinstimmung der beobachteten und berechneten Perihelbewegung des Planeten Merkur. Die elliptische Umlaufbahn des Merkurs rotiert langsam. Nach dem Newtonschen Gravitationsgesetz wird dies durch die Einwirkung anderer Planeten erklärt. Einsteins Gleichungen sagten die Rotation der elliptischen Umlaufbahn auch ohne die Anwesenheit anderer Planeten korrekt voraus. Für Merkur liegt die berechnete Umlaufbahn nach Einstein näher an der beobachteten.

Der dritte Nachweis der ART war die Veränderung der Wellenlänge des Lichts im Gravitationsfeld. In einem starken Gravitationsfeld müssen rhythmische Prozesse (Schwingungen von Atomen) langsamer ablaufen als auf der Erde, was zu längeren Wellen (Rotverschiebung) im Sonnenspektrum führt. Dieser Effekt wurde beobachtet, jedoch erst in den 1960er Jahren durch Messungen der Rotverschiebung einer Strontium-Absorptionslinie im Sonnenspektrum eindeutig bestätigt. Zudem lagen Beobachtungen des Sirius-Satelliten vor, der eine Rotverschiebung erzeugt, die 30-mal größer ist als die der Sonne.

Das eindrucksvollste Experiment zum Nachweis der ART wurde unter Laborbedingungen mittels des Mößbauer-Effekts durchgeführt. Englische Physiker stellten fest, dass Atomuhren am Rand einer schnell rotierenden Scheibe mit 15 cm Durchmesser langsamer gingen.

Die weltanschaulichen Konsequenzen der allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Gravitation sitzt weder in einem Körper noch zwischen ihnen als unerklärliches Etwas, das sofort wirkt. Sie reduziert sich auf die geometrischen Eigenschaften des Raums.
2. Licht und alle Körper bewegen sich auf Geodäten (Weltlinien), deren Verlauf von der inneren Struktur des Raum-Zeit-Kontinuums abhängt.
3. Im Allgemeinen ist das vierdimensionale Kontinuum gekrümmt, und seine Metrik hängt von der Verteilung der Massen ab. Große Massen krümmen den Raum stärker, kleine Massen nur schwach.

Die allgemeine Relativitätstheorie, nach der die Struktur von Raum und Zeit vollständig von der Materieverteilung abhängt, bildete die Grundlage der Astrophysik und der evolutionären Kosmologie, deren Beginn durch das theoretische Modell des nichtstationären Universums von Alexander Friedmann markiert wurde. Die Idee der Evolution des Universums ergab sich aus der Lösung der ART-Gleichungen, widersprach jedoch der kosmologischen Vorstellung Einsteins selbst.