Einsteins Relativitätstheorie: Zeit ist nicht absolut

Die Theorie, die Zeit relativ macht

Albert Einstein^¹ veröffentlichte 1905 seine spezielle Relativitätstheorie, 1915 folgte die allgemeine. Zusammen stürzten sie das Weltbild der Physik um – und erklären bis heute Phänomene, die ohne sie rätselhaft bleiben.

Klingt kompliziert? Die Grundideen sind überraschend einfach. Lass uns eintauchen.

Teil 1: Die spezielle Relativitätstheorie

Das Problem mit dem Licht

Ende des 19. Jahrhunderts hatten Physiker ein Problem: Die Lichtgeschwindigkeit^² schien immer gleich zu sein – egal, ob man sich auf die Lichtquelle zubewegte oder von ihr weg.

Stell dir vor, du stehst am Straßenrand und ein Auto fährt mit 100 km/h auf dich zu. Wenn du selbst mit 50 km/h entgegenläufst, nähert sich das Auto mit 150 km/h. Logisch.

Bei Licht funktioniert das nicht. Ob du stillstehst oder mit halber Lichtgeschwindigkeit auf eine Lampe zurast – das Licht kommt immer mit exakt 299.792 km/s bei dir an. Nicht schneller, nicht langsamer.

Einstein akzeptierte das als Naturgesetz und fragte: Was muss sich ändern, damit das Sinn ergibt?

Die Antwort: Zeit ist dehnbar

Die Grafik zeigt eine “Lichtuhr”^³: Ein Lichtstrahl pendelt zwischen zwei Spiegeln. Links ruht die Uhr, das Licht geht senkrecht auf und ab. Rechts bewegt sich die Uhr – aus Sicht eines ruhenden Beobachters muss das Licht nun einen diagonalen, längeren Weg nehmen.

Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, braucht das Licht für den längeren Weg mehr Zeit. Die bewegte Uhr tickt langsamer. Das ist keine Illusion oder ein Messeffekt – die Zeit selbst vergeht langsamer.

Zeitdilatation in Zahlen

Die Formel für die Zeitdilatation^⁴:

t' = t / √(1 - v²/c²)

Bei Alltagsgeschwindigkeiten ist der Effekt winzig. Bei 100 km/h vergeht die Zeit um etwa 0,000000000001% langsamer – unmessbar.

Aber bei hohen Geschwindigkeiten wird es dramatisch:

Für Teilchen in Beschleunigern ist das Alltag. Myonen^⁵, die in der Atmosphäre entstehen, leben eigentlich nur 2,2 Mikrosekunden – viel zu kurz, um die Erdoberfläche zu erreichen. Aber weil sie fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegen, vergeht ihre Zeit langsamer, und sie schaffen es bis zum Boden. Ein Beweis, den wir täglich messen können.

Masse und Energie: E = mc²

Die berühmteste Gleichung der Physik^⁶ folgt direkt aus der speziellen Relativitätstheorie:

E = mc²

Masse und Energie sind äquivalent. Ein Kilogramm Masse enthält so viel Energie wie 21 Megatonnen TNT. Kernkraftwerke und Atombomben nutzen diesen Zusammenhang – sie wandeln einen winzigen Teil der Masse in Energie um.

Teil 2: Die allgemeine Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie gilt nur für gleichförmige Bewegung – ohne Beschleunigung. Einstein grübelte zehn Jahre, wie er Beschleunigung und Gravitation einbauen konnte. Das Ergebnis: die allgemeine Relativitätstheorie.

Das Äquivalenzprinzip

Einsteins Schlüsselidee: Schwerkraft und Beschleunigung sind ununterscheidbar^⁷.

In einem geschlossenen Aufzug kannst du nicht unterscheiden, ob du auf der Erde stehst (Gravitation zieht dich nach unten) oder im Weltraum mit 1g beschleunigt wirst (der Boden drückt dich nach oben). Beide fühlen sich identisch an.

Das bedeutet: Gravitation ist keine Kraft im klassischen Sinne. Sie ist eine Eigenschaft der Raumzeit^⁸ selbst.

Gekrümmte Raumzeit

Masse krümmt die Raumzeit. Objekte bewegen sich dann auf der “geraden” Linie durch diese gekrümmte Geometrie – was von außen wie eine gebogene Bahn aussieht.

Die Erde fällt nicht auf die Sonne zu, weil eine Kraft sie anzieht. Sie folgt der geraden Linie durch den von der Sonne gekrümmten Raum – und diese Linie ist eine Ellipse.

Gravitative Zeitdilatation

Jetzt kommt der entscheidende Punkt für GPS: Nicht nur Geschwindigkeit verlangsamt die Zeit, sondern auch Gravitation^⁹.

Je tiefer du in einem Gravitationsfeld bist, desto langsamer vergeht deine Zeit. An der Erdoberfläche vergeht die Zeit langsamer als auf einem Berg. Auf einem Berg langsamer als in einem Satelliten.

GPS: Beide Effekte in Aktion

GPS-Satelliten^¹⁰ erleben beide relativistischen Effekte gleichzeitig:

Spezielle Relativität: Die Satelliten bewegen sich mit etwa 14.000 km/h. Ihre Uhren gehen daher 7 Mikrosekunden pro Tag nach.

Allgemeine Relativität: In 20.200 km Höhe ist die Gravitation schwächer. Die Uhren gehen daher 45 Mikrosekunden pro Tag vor.

Nettoeffekt: Die Satellitenuhren laufen 38 Mikrosekunden pro Tag vor.

Klingt wenig? Eine Mikrosekunde entspricht 300 Metern Positionsfehler. Ohne relativistische Korrektur würde GPS nach einem Tag um über 10 Kilometer daneben liegen. Nach einer Woche wäre es unbrauchbar.

Die Korrektur ist in die Satelliten eingebaut: Ihre Atomuhren sind absichtlich so eingestellt, dass sie auf der Erde zu langsam laufen würden – im Orbit laufen sie dann genau richtig.

Warum das wichtig ist

Die Relativitätstheorie ist keine abstrakte Spielerei. Sie ist in deiner Hosentasche – jedes Mal, wenn du Google Maps öffnest.

Sie erklärt, warum nichts schneller als Licht sein kann^¹¹, wie Schwarze Löcher^¹² funktionieren, warum Gravitationswellen^¹³ existieren, und warum das Universum so alt aussieht, wie es aussieht.

In “Die Zeit-Energie-Verschwörung” spielt Zeit eine zentrale Rolle. Die Relativitätstheorie zeigt: Zeit ist nicht absolut. Sie fließt unterschiedlich schnell, je nachdem, wo du bist und wie schnell du dich bewegst.

Die Welt ist seltsamer, als wir im Alltag merken. Einstein hat das vor über 100 Jahren erkannt – und wir nutzen es jeden Tag.

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