Zeitung Heute : Eine neue Geschichte der Zeit

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Die Spezielle Relativitätstheorie – bei hoher Geschwindigkeit laufen die Uhren langsamer

Wird es dem Menschen jemals möglich sein, ein anderes Sonnensystem zu besuchen? Eine verwegene Vorstellung, angesichts der Entfernungen, die für eine solche Reise zu überwinden wären. Selbst ein Lichtstrahl, der mit 300 000 Kilometern pro Sekunde dahinrast, benötigt dafür Jahre, Jahrtausende, Jahrmillionen: Binnen 26 Jahren erreicht das Licht der Wega die Erde, 26 000 Jahre braucht es vom Zentrum der Milchstraße bis zu uns und gar drei Millionen Jahre ist das Licht unserer Nachbargalaxie Andromeda unterwegs, ehe es hier eintrifft. Stellt man dem die Lebensspanne des Menschen gegenüber, so erscheinen uns Flüge zu anderen Sternen grundsätzlich verwehrt.

ScienceFiction-Freunde begeben sich trotzdem auf interstellare Touren. Und es war Albert Einstein, der ihren Vorstellungen vor 100 Jahren Flügel verlieh. Er behauptete kühn, dass Raum und Zeit nur relative Größen sind. Für den irdischen Beobachter mag ein Lichtstrahl sehr lange zum nächsten Stern unterwegs sein. Doch für jemanden, der selbst mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fliegt, verstreicht die Zeit sehr langsam.

Eine Reise zu einem anderen Stern würde aus Sicht eines Astronauten anders verlaufen. Könnte man einem Raumschiff etwa einen konstanten Schub geben, der der Erdbeschleunigung entspricht, so würde es nach und nach immer schneller. Die Astronauten kämen in diesem Fall nach nur vier Jahren ihrer Lebenszeit bei Wega an, während für die Mitarbeiter des Raumfahrtkontrollzentrums auf der Erde inzwischen 27 Jahre verstrichen wären. Bis zum Zentrum der Milchstraße würden für die Astronauten nur elf Jahre vergehen – im Unterschied zu den irdischen 26 000 Jahren. Ja, selbst die Andromeda-Galaxie wäre in ihrem Zeitmaßstab nur 16 Reisejahre entfernt.

Das Leben der Astronauten würde sich nicht ändern. „Sogar Zigarren scheinen im Raumschiff länger zu brennen“, bemerkte der Brite Arthur Eddington, der Einsteins noch weiter reichende Allgemeine Relativitätstheorie 1919 bei einer Sonnenfinsternis bestätigte. Allerdings wird es vermutlich auch in 100 Jahren noch keine Raketenantriebe geben, mit denen ferne Sterne in unsere Reichweite rücken. Bislang ist es technisch nicht möglich, Menschen auf so große Geschwindigkeiten zu beschleunigen – einzelne Partikel dagegen schon.

Am europäischen Zentrum für Teilchenphysik (Cern) bei Genf erreichten Partikel in den 90er Jahren 99,9997 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Für sie verging die Zeit 400-mal gemächlicher als für die Forscher. Unter solchen Bedingungen „altern“ winzige Teilchen tatsächlich langsamer. Instabile Partikel wie Myonen haben im Ruhezustand eine Halbwertszeit von 1,5 Millionstelsekunden: Bereits nach dieser Zeit ist die Hälfte von ihnen zerfallen. Bewegen sie sich stattdessen fast mit Lichtgeschwindigkeit, verlängert sich die Lebensdauer.

Solche Konsequenzen aus der Relativitätstheorie haben Forscher im Labor tausendfach bestätigt. Auch die Uhren auf Satelliten, die um die Erde kreisen, gehen entsprechend langsamer. Doch so revolutionär die Gedanken klingen: Einstein ging zunächst nur einen kleinen Schritt weiter als seine Vorgänger.

„Es führt eine Linie geradewegs von Galilei über Newton zu Einstein“, sagt Bernard Schutz, Direktor am Albert-Einstein-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Golm. „Galilei ist der Erste, der sagt, dass ein Experiment identische Ergebnisse liefert, egal, ob es irgendwo in Ruhe gemacht wird oder auf einem bewegten Schiff.“ Wirft jemand auf einem Schiff einen Ball senkrecht nach oben, so fällt der Ball anschließend senkrecht nach unten. Das Schiff bewegt sich während des Fluges nicht unter dem Ball weg. Und so lange das Schiff mit konstanter Geschwindigkeit fährt, lässt sich seine Bewegung auch durch kein anderes mechanisches Experiment feststellen.

An diesem „Relativitätsprinzip“ hielt Newton fest. Und erweiterte die Galilei’sche Sichtweise, indem er die Grenze zwischen Himmel und Erde vollends aufhob und die Schwerkraft und mit ihr die gesamte Physik für universell erklärte. „Das heißt, dass wir mit Experimenten auf der Erde etwa zur Atomphysik dieselben Dinge entdecken können wie überall sonst im Universum“, sagt Schutz. „Eine ganz erstaunliche Erkenntnis!“

Für Newton waren Zeit und Raum eine feste Bühne, auf der sich alles abspielte. Sie waren absolut. „Die absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge der Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf einen äußeren Gegenstand“, behauptete er. Seine Nachfolger stellten sich den absoluten Raum dann als Medium vor: als „Äther“, der das All erfüllt und in dem sich Lichtwellen so ausbreiten können wie der Schall in der Luft.

Einstein glaubte nicht an einen solchen Äther. Aber auch er begab sich – wie Galilei und Newton – auf ein fahrendes Schiff und kam zu der Überzeugung, dass man nicht nur durch kein mechanisches Experiment, sondern auch durch keinen optischen oder elektromagnetischen Test nachweisen kann, ob sich das Schiff mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Was unserer Erfahrung durchaus entspricht: Sitzen wir etwa in einem Luftschiff, so ändert sich für unsere Wahrnehmung nichts, solange das Flugzeug mit konstanter Geschwindigkeit fliegt. Wir können nur feststellen, dass wir uns relativ zu anderen Objekten bewegen.

Einsteins erweitertes „Relativitätsprinzip“ klingt harmlos. Doch das ist es nicht, wenn man die Experimente berücksichtigt, die seinerzeit mit Licht gemacht wurden. Die Physiker Albert Michelson und Edward Morley hatten festgestellt, dass die Vorstellung vom Äther nicht ohne weiteres richtig sein kann. Ihr Labor kreiste wie jedes andere im Laufe des Jahres mit der Erde um die Sonne – und damit bewegte es sich auch gegenüber dem hypothetischen Äther. Aber bei den Messungen zu unterschiedlichen Jahreszeiten registrierten sie mit ihrer Apparatur immer dieselbe Lichtgeschwindigkeit – egal in welche Richtung sich das Licht relativ zum angeblichen Äther ausbreitete.

Einstein folgerte daraus, dass es den Äther nicht gibt. Stattdessen war für ihn die Lichtgeschwindigkeit eine absolute Größe, an der sich alles andere misst. Das ist jedoch nur dann mit dem „Relativitätsprinzip“ in Einklang zu bringen, wenn es keinen absoluten Raum und keine absolute Zeit gibt. Einstein schreckte diese Vorstellung nicht. Zeit- und Längenmaß ändern sich nämlich erst, wenn man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Für Einsteins Alltag spielte dies noch keine Rolle, für heutige Satelliten-Navigations-Systeme schon.

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