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Albert Einstein -
Relativitästheorie
von Thomas Gniffke
Albert Einstein
Bildquelle: Die Großen der Welt,
Georg Popp, Arena
Verlag GmbH
Das Werk, das Albert Einstein berühmt machte,
war seine oft
erwähnte Relativitätstheorie. Ein Grund, warum
Einstein diese
Theorie ersann, waren die merkwürdigen
Eigenschaften des Lichtes.
Einleitung
Ein Newtonsches Axiom
Fahren zwei Züge mit 100 km/h aufeinander zu, so
nähern sie sich
mit insgesamt 200 km/h. Rennt nun jemand in
einem der Züge mit 20
km/h nach vorne, so bewegt er sich für einen
Außenstehenden mit
120 km/h, er nähert sich dem anderen Zug mit
insgesamt 220 km/h.
Läuft er aber mit der selben Geschwindigkeit
nach hinten, so
bewegt er sich für einen Außenstehenden mit 80
km/h in die andere
Richtung und nährt sich dem anderen Zug mit 180
km/h.
Geschwindigkeiten können also addiert und auch
subtrahiert
werden. Dies ist eines der newtonschen Axiome.
Wenn dieses Axiom immer gelten würde, müßte
es auch für das
Licht gelten. Wenn ein Stern mit 200 km/s von
der Erde wegfliegt,
müßte die Geschwindigkeit seines Lichtes für uns
299 800 km/s
betragen schnell sein. Wenn ein Stern mit 200
km/s auf die Erde
zufliegt, so würde uns sein Licht mit einer
Geschwindigkeit von
300 200 km/s erreichen.
Die Besonderheit des Lichtes
Das Eigenartige ist, daß dies eben nicht
zutrifft. Licht bewegt
sich immer mit 300.000 km/s fort. Nun überlegte
sich Einstein,
was diese besondere Eigenschaft des Lichtes für
Auswirkungen auf
Die Besonderheit des Lichtes
Bildquelle: Die Jagd nach der
Wahrheit, Carl Hanser Verlag, S. 187
die Naturgesetzte haben würde. Er führte
dabei keine
Experimente durch; alles, was seine Theorie
beinhaltet, hatte
Einstein durch das Kombinieren der bereits
vorhandenen Formeln
herausgefunden.
Wir unterteilen die Relativitätstheorie heute
in zwei Teile: Die
spezielle Relativitätstheorie und die allgemeine
Relativitätstheorie. Die spezielle
Relativitätstheorie befaßt
sich besonders mit den Eigenschaften von Körpern
bei hohen
Geschwindigkeiten. Die allgemeine
Relativitätstheorie ist bei
weitem schwieriger und hat die größere Bedeutung.
In ihr geht es
besonders um den Raum, die Zeit, die Schwerkraft
und die
Beziehungen zwischen ihnen und die Auswirkungen,
die diese
Beziehungen haben.
Die spezielle
Relativitätstheorie:
Am besten läßt sich diese Theorie an einem
Gedankenexperiment
erklären: Ein Raumschiff der Zukunft, das fast
Lichtgeschwindigkeit erreichen kann, startet zu
einer Reise in
den Weltraum. Die Bodenstation hält mit der
Besatzung über Funk
und einen Bildschirm Kontakt. Außerdem
beobachtet sie über ein
höchst sensibles Raumteleskop das Raumschiff von
außen. Stellen
wir uns vor, wir wären auf der Bodenstation.
Je weiter das Raumschiff wegfliegt, um so
länger brauchen die
Signale, um zu uns zu gelangen. Erreicht das
Raumschiff den
äußersten Planeten des Sonnensystems, den Pluto,
so brauchen sie
fünf Stunden bis zur Erde. Wir auf der
Bodenstation sehen
also, was sich vor fünf Stunden auf dem
Raumschiff ereignet hat.
So weit, so klar. Die Radiowellen, die die
Bilder übertragen,
bewegen sich schließlich mit
Lichtgeschwindigkeit (eigentlich
sind sie ein Teil des Lichts, das eine zu hohe
Wellenlänge hat,
um von uns wahrgenommen zu werden) und brauchen
ihre Zeit, um die
Distanz zwischen Pluto und Erde zurückzulegen.
Seltsame Veränderungen
Schwierig wird es, wenn das Raumschiff eine
Geschwindigkeit von
200.000 km/s erreicht. Wenn wir durch das
Teleskop sehen, scheint
das Raumschiff zu schrumpfen. Die Uhren an Bord
des Raumschiffs
vergehen langsamer, die Piloten sprechen
langsamer und
schleichen im Schneckentempo durch das
Raumschiff. Bei einer
Geschwindigkeit von 290.000 km/s ist das
Raumschiff nur noch
eine dicke Scheibe, die Zeit an Bord vergeht
viermal langsamer
als auf der Erde. Erreicht das Raumschiff 299
000 km/s erscheint
es nur noch als dünne Platte, die Bordzeit
vergeht zwölfmal
langsamer als auf der Erde.
Raumschiff bei normaler Geschwindigkeit bzw. bei 200.000 km/s
Vorlage
für die Montage: John F. Kennedy Space Center -
Shuttle Photo & Video Archive
Die Zeit spielt verrückt
Jetzt wird es richtig schwer. Denn für die
Besatzung vergeht die
Zeit an Bord völlig normal. Ihr erscheint es,
als gingen die
Uhren auf der Erde immer schneller. Ihnen könnte
es scheinen, als
würde auf der Erde jede Minute eine neue
Tageszeitung erscheinen,
jeden Tag wäre Bundestagswahl und die Menschen
würden nur drei
Wochen leben.
Während es uns erscheint, das Raumschiff
würde schrumpfen, so
scheint es der Besatzung, als würde der Raum um
sie herum
schrumpfen, d.h. die Entfernung zur Erde würde
ihnen kürzer
erscheinen als die Entfernung, die wir von uns
zu ihnen messen.
Was geschieht bei Lichtgeschwindigkeit?
Wenn das Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit
fliegen könnte,
würde es für uns nicht mehr zu sehen sein. An
Bord des
Raumschiffs würde die Zeit stehen bleiben. Aber
das ist nicht
möglich. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt
nämlich auch die
Masse des Raumschiffs zu, und zwar in dem selben
Maße,
wie die Bordzeit langsamer vergeht. Bei
Lichtgeschwindigkeit wäre
die Masse des Raumschiffs unendlich groß und der
Antrieb
müsste unendlich stark sein. Das ist natürlich
unmöglich. Die
Lichtteilchen, die das Licht übertragen und sich
deshalb
logischerweise mit Lichtgeschwindigkeit bewegen,
können also
keinen Masse haben. Für sie steht die Zeit still
und der Raum
schrumpft zu einem nichts zusammen.
Verallgemeinert heißt das, daß alle
Gegenstände, die fast
Lichtgeschwindigkeit erreichen schwerer werden
und dass für sie
die Zeit schneller vergeht. Heute ist es schon
möglich, kleine
Elementarteilchen auf fast Lichtgeschwindigkeit
zu
beschleunigen.
Was die Physiker bei diesen Teilchen erkannt
haben, beweist, daß
Einstein Recht hat.
Die allgemeine Relativitätstheorie:
Wie weiter oben gesagt, handelt diese Theorie
hauptsächlich von
Raum, Zeit und Schwerkraft. Zur Zeit von
Einstein war die
Schwerkraft noch immer etwas Unbegreifliches.
Zwar hatte Isaac
Newton schon eine Formel aufgestellt, die
beschrieb, wie die Erde
um die Sonne und der Mond um die Erde kreist.
Doch niemand konnte
erklären, was Schwerkraft eigentlich ist. Wenn
man sich nach
Newton richtet, könnte man denken, die
Schwerkraft sei eine
unsichtbare Schnur, die den Mond mit der Erde
verbindet.
Eine neue Vorstellung von Schwerkraft
Einstein entwickelte eine völlig andere Ansicht.
Er stellte sich
vor, daß die Schwerkraft und alles, was
Schwerkraft hat (wie die
Erde), den Raum beeinflußt. Aber dann kann das
All kein leerer
Raum sein, er muß eine Art Stoff sein, und die
Schwerkraft muß
eine Vertiefung im Raum verursachen. Man kann
sich auch diese
äußerst schwierige Theorie am besten mit einem
Gedankenexperiment veranschaulichen (wenn das
überhaupt möglich
ist). Man stellt sich den dreidimensionalen Raum
als
zweidimensionales Netz aus Gummifäden vor. Legt
man auf dieses
Netz eine Kugel, so dellt sich das Netz ein,
erzeugt also eine
Vertiefung. Das selbe passiert mit dem Raum um
der Erde und um
jedes andere Objekt mit einer Masse. Der Mond
ist sozusagen unten
in dieser Vertiefung. Er dreht sich dort wie die
Roulettekugel
beim Roulette. Da es nichts gibt, was diese
Bewegung bremst (im
Weltraum gibt es bekanntlich keine Luft oder
ähnliches), dreht
er sich dort immer weiter. Wir selbst leben ganz
unten in der
Kuhle. Ein Fallschirmspringer fällt quasi in die
Raumvertiefung
hinein, die die Erde erzeugt hat.
Vertiefung im "Raumnetz" durch
die Schwerkraft
Bildquelle: Der Urknall,
Tessloff Verlag, S.39
Krümmungen in der Raumzeit
Die Schwerkraft beeinflusst aber nicht nur den
Raum, sondern auch
die Zeit. Raum und Zeit gehören zusammen und
Einstein fand einen
neuen Namen für sie: die Raumzeit. Wenn ein
Stern also die
Raumzeit krümmt, dann krümmt er nicht nur den
Raum, sondern auch
die Zeit. Wenn das stimmt, muss die Zeit unten
in einer Krümmung
langsamer vergehen als draußen. Es sind
tatsächlich Atomuhren hoch
über die Erdoberfläche gebracht worden und die
Uhren sind
tatsächlich schneller gegangen als die Uhren auf
der Erde.
Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt
viele Phänomene der
speziellen. Das fast lichtschnelle Raumschiff
hat bei zunehmender
Geschwindigkeit eine immer größere Masse, es
erzeugt eine
immer größere Krümmung im Raum. Deshalb scheint
es kürzer zu
werden, deshalb scheint für die Raumfahrer der
Raum zu schrumpfen
und deshalb vergeht an Bord (unten in der
Raumzeitkrümmung um das
Raumschiff) die Zeit langsamer. Die allgemeine
Relativitätstheorie
besagt noch einiges mehr und ist äußerst
kompliziert.
Bildquelle: Der Urknall,
Tessloff Verlag, S.39
Raum-Zeit-Diagramme
Von Newton zu
Einsteins Universum
Die Auswirkungen
Die allgemeine Relativitätstheorie hat zu vielen
weiteren
Schlüssen geführt. Sie erklärt, weshalb wir
manche Quasare (sehr
weit entfernte Galaxien) doppelt sehen. Wenn
der Weg ihres
Lichtes zu uns an einer massereichen Galaxie
vorbeiführt,
fliegen die Lichtstrahlen einmal rechts und
einmal links durch
die Raumkrümmung und kommen so gleich zweimal
bei uns an. Da
unser Auge aber alle Lichtstrahlen für gerade
hält, sieht es für
uns aus, als würden wir zwei Quasare sehen.
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