"Es funktioniert wunderbar!"

aus HEUREKA 1/05 vom 26.01.2005

Was Sie schon immer über die Relativitätstheorie wissen wollten, aber nie zu fragen wagten. heureka hat sich nicht gescheut und bat Peter Christian Aichelburg, Ordinarius für theoretische Physik in Wien, um möglichst verständliche Antworten

Interview: Stefan Löffler

Heureka: Wie könnten wir anfangen, ohne dass wir gleich wieder aussteigen?

Peter Christian Aichelburg: Die einfachste Stufe in meiner Vorlesung ist, dass ich zeige, dass bewegte Uhren anders gehen als unbewegte. Die Synchronisation der Uhren durch Lichtstrahlen bewirkt, dass die Uhr, die an mir vorbeifliegt, langsamer geht als die Vergleichsuhr, die neben mir steht.

Und diese Erkenntnis haben wir Einstein zu verdanken?

Ja, er zeigte, dass die Zeit relativ ist. In der Physik vor Einstein gab es einen universellen Zeitbegriff bzw. eine universelle Gleichzeitigkeit. Tatsächlich vergeht die Zeit für Sie anders als für mich, nicht nur subjektiv, sondern auch objektiv. Ihre Uhr am Armgelenk wird nach einiger Zeit anders gehen als meine Uhr, weil wir uns unterschiedlich bewegen. Freilich ist der Unterschied äußerst gering, weil wir uns die meiste Zeit nicht mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegen.

Würde es ohne Einstein heute eine Relativitätstheorie geben?

Die spezielle Relativitätstheorie wäre auch ohne Einstein gekommen. Bei der allgemeinen Relativitätstheorie bin ich mir nicht so sicher.

Was ist der Unterschied zwischen der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie?

Die spezielle Relativitätstheorie ist eigentlich eine Metatheorie. Anders als die allgemeine Relativitätstheorie, die sich mit der Gravitation befasst, befasst sich die spezielle Relativitätstheorie mit keiner Kraft, sondern sie gibt vor, wie eine Theorie gebaut sein muss, damit sie zum einen dem Relativitätsprinzip und zum anderen der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit genügt, also dass das Licht die größte Geschwindigkeit hat, mit der man Signale übertragen kann. Daraus folgt dann eine Menge.

Auch für unseren Alltag?

Und ob! Das Global Positioning System beispielsweise würde ohne die Relativitätstheorie schon nach einigen Minuten nicht mehr funktionieren. Um eine Position zu bestimmen, müssen Satelliten angepeilt werden. Und diese Satelliten bewegen sich ziemlich rasch. Also muss ich wissen, wann der Satellit wo ist, um die Synchronisation herzustellen. Dabei treten zwei Einstein'sche Effekte ein: Zeit vergeht abhängig von Geschwindigkeit, nämlich langsamer, wenn sich die Uhr bewegt, und auch abhängig von der Stärke des Gravitationsfelds, nämlich je stärker die Gravitation, umso langsamer gehen die Uhren. Jeder dieser Effekte ist sehr, sehr klein, aber für die Positionsbestimmung ist es essenziell. Der Fehler pro Tag wären zehn Kilometer. Als das erste GPS installiert wurde, gab es zwei Programme: eines ohne Berücksichtigung des Einsteineffekts und eines mit. Zuerst hat man es ohne laufen lassen, und siehe da, es funktionierte nicht. Dann wurde das Programm gewechselt, und siehe da: Es funktioniert wunderbar!

Sie erwähnten, dass das Licht die größte Geschwindigkeit hat und Einsteins einzige Konstante ist. Kann man die Lichtgeschwindigkeit gar nicht toppen?

Natürlich ist das möglich. Nehmen wird an, Sie hätten eine starke Lampe und würden Sie in einer Vollmondnacht auf die Mondscheibe halten. Außerdem nehmen wir an, dass Ihre Lampe stark genug ist, sodass ihr Schein als Fleck auf dem Mond zu sehen ist. Wenn Sie die Lampe rasch drehen, läuft der Fleck auf dem Mond mit Überlichtgeschwindigkeit. Das Problem ist, dass Sie mit einem solchen mit Überlichtgeschwindigkeit laufenden Fleck kein Signal übertragen können. Mit anderen Worten: Die Signalgeschwindigkeit kann nicht über der Lichtgeschwindigkeit liegen.

Sie beschäftigen sich nicht nur in Ihren Vorlesungen, sondern auch in Ihrer Forschung mit der Relativitätstheorie. Gibt es da immer noch etwas zu entdecken?

Bei der allgemeinen Relativitätstheorie besteht nach wie vor Forschungsbedarf, weil diese nichtlinearen Gleichungssysteme sehr schwer zu lösen sind. Zudem ist jede Lösung ein Einzelexemplar. Das Problem besteht dann in der Interpretation, weil die Bedeutung der Koordinaten erst durch die Lösung gegeben wird. Heute verwendet man Einsteins Theorie außerdem dazu, den Kosmos zu erforschen. Ein wichtiger Durchbruch dafür war die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung 1965 und damit der Ausdehnung des Kosmos. Seitdem ist die Kosmologie wirklich eine empirische Wissenschaft.

Gibt es Behauptungen der allgemeinen Relativitätstheorie, die empirisch noch nicht bewiesen sind?

Ja, die Gravitationswellen zum Beispiel. Es gibt in den USA und Deutschland hunderte Meter große Geräte, so genannte Interferometer, die versuchen, diese Wellen zu messen. Man geht davon aus, dass Gravitationswellen entstehen, wenn Massen rasch umeinander kreisen. Am stärksten wären die Wellen, wenn es sehr dichte Massen sind, am besten zwei schwarze Löcher, die dabei enorm viel Energie abstrahlen und dann zusammenfallen. Nun ist die Frage, wie ein solches Signal aussieht. Und darum gibt es seit zehn Jahren weltweite Anstrengungen, wie sich das rechnen lässt.

Gibt es eigentlich Wissenschaftler, die an der Relativitätstheorie noch zweifeln?

Die spezielle Relativitätstheorie hat einige Gegner. Die allgemeine nicht, denn sie ist nur wenigen zugänglich - weil der mathematische Aufwand erheblich höher ist.

Peter Christian Aichelburg ist Professor am Institut für Theoretische Physik an der Universität Wien. Er ging in Wien, in der Schweiz und in Caracas in die Schule, studierte danach Physik, Mathematik und Philosophie. Seine Forschungsschwerpunkte sind mathematische und geometrische Aspekte der allgemeinen Relativitätstheorie, im speziellen Gravitationskollaps und Theorie der schwarzen Löcher. Aichelburg ist außerdem Vorsitzender des wissenschaftlichen Kuratoriums des Europäischen Forum Alpbach.

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