Was ist relativ bei der Relativitätstheorie?

[Horst Ludwig]

Was ist relativ bei der Relativitätstheorie? Einmal die Relativitätstheorie begreifen! Was ist die Ursache der Zeit?

Vor 100 Jahren am 25. November 1915 veröffentlichte Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie. Einmal die Relativitätstheorie zu begreifen ist nicht schwieriger als vor Jahrtausenden die Erde als Kugel zu verstehen oder vor Jahrhunderten die Sonne ins Zentrum zu setzen. Es kommt nur auf die richtige Perspektive an. Den meisten Menschen ist bewusst, dass die Erde eine Kugel ist und um die Sonne läuft. Aber was ist relativ bei der Relativitätstheorie? Die wenigsten Menschen verstehen die Relativitätstheorie oder kennen ihre Aussagen. Und wenn sie doch die Aussagen kennen, sind diese für sie unbegreiflich, weil mit dem gesunden Menschenverstand nicht zu verstehen. Was ist also relativ bei der Relativitätstheorie? Es ist die Zeit. „ Die Zeit ist das, was die Uhr anzeigt“, das sagte Einstein. Nehmen wir ein Dutzend Uhren und verteilen einige davon auf der Erde in verschiedenen Höhenlagen, auch auf dem Mount Everest, einige nehmen wir auf Langstreckenflüge mit und eine mit auf die ISS. Nach einem Jahr bringen wir alle Uhren wieder am Ausgangspunkt zusammen, wo die Vergleichsuhr geblieben ist. Es sind Atomuhren mit höchster Präzision und höchster Zeitauflösung. Was erwarten wir mit unserem gesunden Menschenverstand? Wir erwarten, dass alle Uhren die gleiche Zeit anzeigen, denn die Zeit erscheint uns als etwas Absolutes und universell Gültiges. Wir sind erstaunt, dass jede Uhr eine andere Zeit anzeigt! Es sind nur winzige Bruchteile einer Sekunde, aber die Zeit ist nicht mehr eine absolute Größe, sondern ist relativ und abhängig von der Bewegung oder der Gravitationskraft. Je schneller ein Ding sich bewegt oder je stärker die einwirkende Gravitationskraft ist, umso langsamer vergeht die Zeit. Bei den bescheidenen Geschwindigkeiten auf der Erde und selbst im Orbit kommen nur Bruchteile einer Sekunde heraus, erst bei Geschwindigkeiten im Bereich der Lichtgeschwindigkeit verändern sich die Tatsachen radikal. Radikale Veränderungen erfährt die Zeit auch auf Neutronensternen und bei Annäherung an ein Schwarzes Loch. Bei Lichtgeschwindigkeit oder auf dem Rand eines Schwarzen Loches bleibt die Zeit stehen. Zwei extrem unterschiedliche Ursachen mit der gleichen Wirkung.
Einstein schuf, vereinfacht ausgedrückt, in der Speziellen Relativitätstheorie den Rahmen zur Berechnung der Zeitänderung infolge von Bewegung und in der Allgemeinen Relativitätstheorie den Rahmen zur Berechnung der Zeitänderung infolge der Gravitation. Alle Experimente belegen die volle Gültigkeit seiner Gleichungen. Ohne Einstein und seiner Relativitätstheorie gäbe es das GPS-System in der vorliegenden Genauigkeit und wahrscheinlich gar nicht.
Was verlangsamt den Lauf der Zeit? Jahrzehntelang versuchte ich das Wissen aus unzähligen Aufsätzen herauszulesen. Mit meinem Hochschulwissen im Nebenfach Mathematik setzte ich mich mit der Riemannschen Geometrie auseinander, wo Einstein seine gekrümmten Räume für die Allgemeine Relativitätstheorie schon fertig vorfand. Es blieb aber alles weiterhin unanschaulich, bis ich nach fünfzig Jahren des Nachdenkens plötzlich die richtige Eingebung hatte: Die Ursache der Zeit ist die Expansion des Weltalls. Die Zeit, die nur vergeht, und der Raum, der anscheinend nur statisch ist, sind über die Expansion des Raumes verknüpft. Ein statischer Raum hat keine Zeit und kann daher nicht existieren. Der expandierende, der fließende Raum erzeugt die fließende Zeit. Die Zeit ist der expandierende Raum. Die Schnelligkeit des Zeitflusses ist direkt abhängig von der Schnelligkeit des Raumflusses, der Expansion. Es gibt eine ausgezeichnete Geschwindigkeit, ein absolutes Maß im Universum, und das ist die Lichtgeschwindigkeit im gravitationsfreien Vakuum. Der Raum expandiert überall mit Lichtgeschwindigkeit und dadurch wird unsere Sekunde definiert. Die Expansion ist die Strömung des Raumes aus sich selbst heraus und das in alle drei Richtungen. Es entsteht ständig neuer Raum. Nicht die Galaxien driften in einem ruhenden Raum, sondern der Raum zwischen den Galaxien dehnt sich aus. Die Expansion des Raumes mit Lichtgeschwindigkeit ist ein absolutes Maß und vielleicht das einzige absolute Maß im Universum.
Seit dem Urknall quillt der Raum in jedem Punkt dreidimensional aus sich heraus. Jeder Raumpunkt ist seine eigene Quelle. Es entsteht ständig neuer Raum, neues Volumen. Es ist keine Strömung in den vorhandenen Raum hinein, sondern eine Strömung aus jedem Punkt des Raumes heraus. Wir sind in Raum und Zeit hineingeboren und können uns das nicht vorstellen, aber die Expansion des Raumes ist inzwischen wissenschaftliche Tatsache, die wir akzeptieren müssen.
Wenn ich mich im Raum bewege, reduziert sich die Expansionsgeschwindigkeit des Raumes für mich um meine Bewegungsgeschwindigkeit, egal in welche Richtung ich mich bewege. Mein Raumfluss, meine Durchströmung, wird geringer, meine Zeit vergeht langsamer. Bei Annäherung meiner Bewegungsgeschwindigkeit an die Lichtgeschwindigkeit, wird die Differenzgeschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit des expandierenden Raumes sehr klein und damit mein Zeitfluss sehr klein. Meine Zeit vergeht extrem langsam. Könnte ich die Lichtgeschwindigkeit erreichen, bliebe meine Zeit stehen.
Es ist bekannt, dass bei Anwesenheit von Gravitation die Lichtgeschwindigkeit kleiner ist, zumindest in der Form der gravitativen Rotverschiebung. Das Licht schwingt langsamer. Das bedeutet aber, dass der Zeitfluss des nun mit reduzierter Geschwindigkeit expandierenden Raumes auch geringer ist. Die Zeit vergeht langsamer, auf einem Neutronenstern schon sehr deutlich und auf dem Rand eines Schwarzen Loches bleibt die Zeit stehen.
Die Verlangsamung der Zeit durch Bewegung oder durch die Gravitation wird auf eine gemeinsame Ursache zurückgeführt. In beiden Fällen ist der Raumfluss, die Expansion des Raumes, beim Beobachter kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im gravitationsfreien Vakuum.
Der große englische Physiker Newton hatte den absoluten Raum und die absolute Zeit definiert, beide unabhängig von allen existierenden Dingen. Mit Einstein verloren Raum und Zeit ihren absoluten Charakter und wurden abhängig von den Dingen im Raum. Minkowski, der Lehrer von Einstein, deklarierte die Raumzeit als untrennbare Union der beiden. Als Einstein seine Relativitätstheorie schuf, war die Expansion des Weltalls noch unbekannt. Dabei enthielten die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie als Lösung bereits die Expansion des Weltalls. Einstein hätte die Expansion ein Jahrzehnt zuvor deklarieren können. Die Materie bestimmt die Krümmung des Raumes, und die Krümmung des Raumes bestimmt die Bewegung der Materie. Das ist das Ergebnis der Allgemeinen Relativitätstheorie in einem Satz aufgeschrieben. Die Geometrie des Raumes bestimmt die Bewegung der Materie darin. Etwas Mathematisches hat eine physikalische Wirkung. Das ist unbefriedigend. Mit Einbezug der Expansion ergibt sich ein völlig neues Bild. Ohne Materie ist die Expansion gleich der Lichtgeschwindigkeit. Der expandierende Raum wird absolut gleichmäßig gewebt. Bei Anwesenheit von Materie ist die Expansion kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Der Raum, der sich ohne Materie gleichmäßig mit Lichtgeschwindigkeit entfaltet, bleibt in Bereichen von Materie zurück. Das Webmuster wird verzerrt, zusammengezogen, so wie auf einem Webstuhl, wenn verkürzte Fäden auftreten. Der Stoff wirft sich auf. Der expandierende Raum wirft sich im Bereich von Materie genauso auf, der Raum krümmt sich. Das sind die Raumkrümmungen, die Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden und als Ursache der Gravitation erkannt hatte.
Die Strömung des Raumes aus sich selbst heraus, aus jedem Raumpunkt und in alle drei Richtungen, können wir nicht sehen, da alle Strukturen bis zur Galaxis konstant bleiben. Wir können aber die Strömung fühlen, nämlich als Zeit, und jeder hat seine persönliche Zeit. Bewegung erhält jung! Wer hätte gedacht, dass sich dieses tatsächlich einmal exakt berechnen und messen lässt.
Es ist ein Modell, was ich vorgeschlagen habe und keine ausgearbeitete Theorie. Aber es erklärt sehr anschaulich die Relativität der Zeit, ihre Verlangsamung durch Bewegung oder durch Gravitation und durch eine gemeinsame Ursache. In der Physik ist es in der Regel so, dass schlüssige, einfache Erklärungen oft die Richtigen sind.
Prüfungsfrage: Wie groß ist die Geschwindigkeit des Lichtes bezogen auf den mit Lichtgeschwindigkeit expandierenden Raum?

[Barney]

[Snusmumriken]

Viel mehr würde mich interessieren, was "mit Lichtgeschwindigkeit expandierender Raum" bedeuten soll. Letztes Mal als ich nachschlug expandierte der Raum noch mit der Hubble-Konstante:
74km/s pro Megaparsec.

Gruß,
Snus

[Horst Ludwig]

Auf diese Frage habe ich gewartet. Wir nehmen die Hubble-Konstante als einen Ausdruck für die Geschwindigkeit der Expansion des Weltalls. Von der Dimension her hat sie den Wert „Hertz“, also Schwingungen pro Sekunde, oder als reziproker Wert das Alter des Weltalls. Die Hubble-Konstante besagt, dass die Expansionsgeschwindigkeit am Rande des sichtbaren Weltalls, also bei 13,7 Milliarden Lichtjahren Entfernung, gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Außerirdische dort sehen das für unsere Galaxis ebenso. Wenn man einen Friedmann-Kosmos, der homogen und isotrop ist, voraussetzt, gilt die Expansion mit Lichtgeschwindigkeit für jeden Punkt des Weltalls.
Ich habe zwei Grundaxiome. Erstens, es gibt das Unendliche nur nach dem Komma, also nur wie bei der Zahl Pi. Und zweitens, es gibt ein einziges absolutes Maß im Universum. Da es mit der Lichtgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit der Gravitationswellen gleich zwei Kandidaten und wahrscheinlich noch mit dem gleichen Wert gibt, sehe ich in der Expansion den Träger der beiden. Es wäre der Äther. Selbst Einstein sprach nach Abschaffung des mechanischen Äthers von der Gegebenheit und Notwendigkeit eines Äthers.
Damit kommen wir zu meiner Prüfungsfrage. Die Geschwindigkeit des Lichtes bezogen auf den mit Lichtgeschwindigkeit expandierenden Weltraum ist Null. Die Expansion trägt das Licht. Damit versteht man auch, warum es eine Grenzgeschwindigkeit gibt, denn wo noch kein Raum ist, kann auch kein Licht sein. Wir wissen, dass sich das Licht zeitlos ausbreitet und in seiner „Zeit“ praktisch sofort überall ist, es also keine Raumkoordinaten hat. Mit dem expandierenden Raum als Träger wird das sofort klar. Ein ausgesendeter Lichtstrahl hat nur die Koordinate des Ausgangspunktes, und dieser expandiert mit Lichtgeschwindigkeit. Wir sehen nicht den Lichtstrahl, sondern den mit Lichtgeschwindigkeit expandierenden Raum, der den Lichtstrahl trägt.
Mein Modell ist sehr gewagt, aber es macht ein verständliches Bild. Es gab und gibt so sehr viele teilweise gequälten Versuche, sich die Auswirkungen der Relativitätstheorie begreifbar zu machen. Nur die Frage, wodurch die Zeitdilatation beim Zwillingsparadoxon ausgelöst wird. Ist es die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung in positiver oder negativer Form. Mit dem Verständnis der Expansion mit Lichtgeschwindigkeit als absolute Größe und als einziges absolutes Maß versteht man, dass jegliche Bewegung die Zeit verlangsamt und die Gravitation gleichsam wirkt.
Ich freute mich auf Ihre Reaktion auf meinen Aufsatz.
Mit besten Grüßen
Horst Ludwig

[Herr Senf]

[Snusmumriken]

[Jens Blume]

Welche alternativen Erklärungen gäbe es für die physikalischen Beobachtungen?

Der Compton-Effekt (Spins der Elektronen gleichgerichtet, d. h. keine Bildunschärfe, sondern nur Bildversatz) wäre z. B. ein Ansatz.

[Karl]

[M_Hammer_Kruse]

Na, das waren jetzt ja viele Worte.

Darunter manche, die durchaus zutreffend sind ("Vor 100 Jahren veröffentlichte ..."), andere wiederum die recht fragwürdig sind ("Die meisten Menschen kennen ihre Aussagen."), und schließlich solche, die eher Hypothesen darstellen ("Die Ursache der Zeit ist die Expansion des Weltalls.") - von denen, die eigentlich dazu führen, dass man die Tür des Prüfungszimmers von draußen sieht ("Bei Lichtgeschwindigkeit ...") schweigen wir hier mal.

Das Interessante sind natürlich die hypothetischen Aussagen. Aber die lassen sich doch ganz einfach beweisen oder widerlegen. Also nehmen wir doch die oben zitierte gleich mal her, lieber Autor:

"Die Ursache der Zeit ist die Expansion des Weltalls."

Das heißt doch: Würde das Weltall nicht expandieren, dann gäbe es keine Zeit. Sprich: Die Zeit wäre keine Variable, sondern eine Konstante.
Aber das ist doch keine Frage für viele Worte, sondern einfach eine Frage an die Feldgleichungen: Mit einem Nebenfachstudium in Mathematik sollte es doch ein Leichtes sein, zu zeigen, dass es keine Lösung der Feldgleichungen gibt in denen das Weltall expandiert, aber die Zeit bei festem Ort konstant ist.

Wenn dem denn so ist, dann bliebe nur noch zu klären, was denn die Ursache und was die Wirkung ist. Die Ausdehnung verursacht die Zeit? Oder ist es gerade anders herum?

Nur los.

Und danach dann bitte die die Beweise oder Widerlegungen für die anderen Aussagen.

Gruß
mike

[ralfkannenberg]

[Barney]

Hallo Horst Ludwig,

welche Literatur haben Sie bisher zur Relativitätstheorie gelesen?

Sind Sie an weiterführenden Literaturtipps interessiert?
MfG

[Herr Senf]

Ich hab nur von einem gehört

[M_Hammer_Kruse]

Nun je, es ist dort drüben nicht der selbe Text. Daher möchte ich es nicht als Spam bezeichnen. Aber es ist derselbe Inhalt, von demselben Autor. (Manche Dinge brauchen eben, um sich zu entwickeln. Von 1905 bis 1916 war es ja sogar noch länger.) Und auch Däniken schreibt ja schon seit fast 50 Jahren immer wieder das selbe Buch.

Aber: Alle Achtung, dass du das in den unendlichen Weiten des www gefunden hast.

Gruß
mike

[Barney]