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Eine Astronautin wacht in einem Raumschiff auf, ohne sich daran zu erinnern, wie sie dorthin gekommen ist. Sie sitzt allein auf einem Stuhl und fragt sich: „Wo im Universum bin ich?“

Das Schiff hat keine Fenster. Seine Instrumente sind tot. Der einzige Hinweis ist der Stoß des Stuhls gegen ihren Körper. Puh, da ist die Schwerkraft, denkt sie. Ihr Schiff muss noch auf der Erde sein.

Aber dann kommt ihr eine zweite Möglichkeit in den Sinn. Das Schiff könnte durch den Weltraum beschleunigen und sie in den Sitz drücken, wie ein Rennwagen, der an Geschwindigkeit gewinnt. Aus dem Inneren des Schiffes gibt es – erschreckend – keine Möglichkeit zu sagen.

Das Dilemma dieses Raumfahrers wäre Albert Einstein bekannt gewesen. Seine allgemeine Relativitätstheorie von 1915 baute auf der Vorstellung auf, dass Schwerkraft und Beschleunigung nicht nur leicht zu verwechseln sind, sondern ein und dasselbe sind. Diese Äquivalenz, „der glücklichste Gedanke“ von Einsteins Leben, war sein Ausgangspunkt für die Neudefinition der Schwerkraft.

Die Allgemeine Relativitätstheorie entstand aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie, die beschreibt, wie die Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) immer konstant sein kann.

Gemäß der Relativitätstheorie geschieht alles, was innerhalb einer Box passieren kann, die an Geschwindigkeit zunimmt — dh beschleunigt —, auch in Gegenwart der Schwerkraft. Stellen Sie sich zum Beispiel einen horizontalen Laser in einem Aufzug vor, der nach oben beschleunigt. Wenn sich das Licht seitwärts bewegt, steigt der Aufzug an, wodurch der Strahl auf eine Stelle an der Wand trifft, die etwas tiefer liegt als an der Stelle, an der er begonnen hat. Wenn der Aufzug schnell genug beschleunigt, biegt sich der Balken sichtbar zum Boden.

Einstein zeigte, dass dasselbe mit einem Strahl in einem stationären Aufzug innerhalb eines starken Gravitationsfeldes passiert; Die Schwerkraft biegt das Licht. In ähnlicher Weise erwartete er, dass sich ein Sternenlichtstrahl biegen sollte, wenn er durch die Schwerkraft der Sonne ging. Diese Vorhersage erwies sich als richtig, als sich die Sterne während der Sonnenfinsternis von 1919 bewegten.

Relativitätstheorie beschreibt, warum eine Uhr auf einem Satelliten ein paar Dutzend Mikrosekunden schneller tickt als eine Uhr auf der Erde; Ohne Berücksichtigung dieser Diskrepanz würden GPS-Technologien nicht funktionieren.

Um Beschleunigung und Schwerkraft auf diese Weise zu verknüpfen, stürzte Einstein einen seiner eigenen Helden: Isaac Newton. Sie haben vielleicht gelernt, dass Newton die Schwerkraft als eine Kraft beschrieb, ein unsichtbares Gummiband, das Objekte mit Masse zusammenzieht. Newtons Mathematik hat gute Arbeit geleistet, um vorherzusagen, wie sich alles von Projektilen bis zu Planeten bewegte — aber sie hielt die Schwerkraft von der Beschleunigung getrennt.

Einstein argumentierte, dass Gravitation überhaupt keine Kraft ist. Er beschrieb es als eine Krümmung von Zeit und Raum, die durch Masse und Energie verursacht wird. Verwirrt? Der deutsche Physiker war es auch, und er kämpfte fast ein Jahrzehnt lang mit der Theorie. Er bekam Hilfe vom Mathematiker Marcel Grossmann, einem alten Freund, der seine Notizen teilte, als ein junger Einstein den Unterricht übersprang. Ihre in 10 Gleichungen niedergelegte Mathematik erklärte, wie sich die Schwerkraft über eine verzerrte Realität um Objekte bewegen und beschleunigen könnte, ohne jemals mysteriöse Newtonsche Kräfte zu spüren.

Ein Apfel, der keine Kraft spürt, bleibt normalerweise an derselben Stelle (links). Aber wenn die Schwerkraft Raum und Zeit krümmt (rechts), wie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, windet sich die Frucht auf dem Boden, ohne eine Kraft zu spüren. (Credit: Alison Mackey / Discover; Collage elements: Envato Elements, Vanatchanan/)

Die relativen Grundlagen

Die wichtigsten Erkenntnisse hinter Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie:

1. Zeit und Raum sind weder flach noch fest; sie sind gekrümmt und verzerrt durch Masse und Energie.

2. Schwerkraft ist keine Kraft, sondern eine Verzerrung von Zeit und Raum.

3. Die Auswirkungen der Schwerkraft sind auf kleinem Raum nicht von den Auswirkungen der Beschleunigung zu unterscheiden.

Einsteins Inspiration für die allgemeine Relativitätstheorie schlug 1907 als Patentangestellter in der Schweiz ein. (Credit: Heritage Image Partnership Ltd / Alamy Stock Photo)

Einsteins eigenartige Vorhersagen

Die Relativitätstheorie macht zahlreiche bizarre Vorhersagen, von denen viele experimentell verifiziert wurden. Sie erscheinen nur bizarr, weil wir sie in unserem täglichen Leben nicht bemerken – wir leben größtenteils in Newtons Realität. Aber darüber hinaus liegt Einsteins Universum, in dem die Schwerkraft Raum und Zeit nach ihrem Willen beugt. Hier sind einige der seltsamsten Nebenwirkungen der Theorie:

• Die Schwerkraft verlangsamt buchstäblich die Zeit. Von Sternen emittierte Lichtwellen dehnen sich aufgrund dieser Zeitbiegung aus, und Objekte, die näher an einem massereichen Objekt liegen, altern langsamer. Superpräzise Uhren, die nach den Schwingungen der Atome ticken, haben nachgewiesen, dass die Schwerkraft den Zeitfluss verändert.

• Satelliten haben gezeigt, dass rotierende Himmelskörper das Gewebe des Kosmos um sich selbst drehen, wie Honig, der von einem Löffel verdreht wird, und die Bewegung von Gyroskopen beeinflussen.

• Eine Vorhersage löste ein langjähriges Dilemma, ein seltsames Wackeln in Merkurs Umlaufbahn, das Newtons Mathematik nicht erklären konnte. (Astronomen hatten zunächst einen versteckten Planeten namens Vulkan verantwortlich gemacht.) Die Relativitätstheorie erklärte die wackelige Umlaufbahn in Bezug auf die Verzerrung des Weltraums durch die starke Schwerkraft der Sonne.

• Winzige Wellen in der Realität, verursacht durch kollidierende Schwarze Löcher, haben Sensoren in hochempfindlichen Instrumenten ausgelöst, die unter der Erde vergraben sind.

Diese Geschichte erschien ursprünglich in gedruckter Form als „Es ist alles relativ.“