Relativitätstheorie (zum Verständnis):

Zeit und Raum sind relativ, die Lichtgeschwindigkeit ist absolut und begrenzt

(ca. 300.000 km/s).

Was auf den ersten Blick nicht sonderbar erscheint, ist bei genauerer Betrachtung ein Paradoxon. Es bedeutet nämlich: je schneller sich ein Körper bewegt, desto langsamer vergeht für ihn (relativ) die Zeit. Der zweite Teil des Grundsatzes sagt aus, dass zwei Lichtstrahlen, die aneinander mit 300 000 km/s vorbeirasen, relativ zueinander eben nicht die Geschwindigkeit von 600 000 km/s besitzen. Deshalb ist auch für alle Beobachter die Lichtgeschwindigkeit gleich, egal wie schnell sie sich selbst bewegen, sondern die Zeit und der Raum sind relativ. Diese Relativität der Zeit ist der Kern von Albert Einsteins Relativitätstheorie. Einstein fasste in der berühmtesten Formel des 20. Jahrhunderts zusammen: E = mc², also Energie eines Körpers = Masse x Lichtgeschwindigkeit². Die gesamte moderne Physik stützt sich darauf. Raum und Zeit existieren nicht getrennt, sondern zusammen als Raumzeit. Der gesamte (Welt-)raum wird durch Gravitationskräfte gekrümmt. Ein Modell zur Raumzeit: Der gesamte Weltraum lässt sich zweidimensional mit einer gespannten Plane aus Gummi vergleichen. Die dritte Dimension, also die Tiefe, ist bei diesem Modell die Zeit. Überall darauf verstreut liegen Kugeln (=Massen mit Gravitationskräften), die Senken in die Plane drücken. Deshalb wird dieser Effekt, durch den Massen die Raumzeit krümmen, Raumzeitkrümmung genannt. Die Relativitätstheorie ist aber nur eine abstrakte Theorie , die versucht, den Weltraum und alles, was damit zusammenhängt, besser verstehen zu können, die aber meistens nicht direkt durch Anschauung wie bei Newton (Mechanik) beweisbar ist. Auf der anderen Seite findet man viele Indizien für die Gültigkeit der Theorie. So wurden zwei sehr genau gehende Uhren verglichen, eine war mit einem Düsenjet geflogen, die andere stand auf der Erde. Die Uhr im Düsenjet ging etwas nach, womit praktisch bewiesen wurde, dass bei höherer Geschwindigkeit die Eigenzeit langsamer geht. Newton hatte 1670 definiert, dass die Trägheit der Masse unabhängig von ihrer Geschwindigkeit sei, sodass ein Körper theoretisch unendlich schnell werden konnte. 6 Jahre nach ihm versuchte ein gewisser O. Roemer die Lichtgeschwindigkeit zu messen, allerdings nicht sehr genau: Er kam auf 226 869 km/s. Zur Veranschaulichung der Relativitätstheorie: Nehmen wir an, ein Eisenbahnwagen bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit (was wegen dessen Masse und Trägheit praktisch unmöglich ist), und in der Mitte des Wagens befindet sich eine Lichtquelle, die Lichtstrahlen sowohl rückwärts als auch vorwärts aussenden kann. Weiterhin sollen die vordere und hintere Tür jeweils von dem Lichtstrahl geöffnet werden können. Von dem Beobachter im Zug aus gesehen, öffnen sich beide Türen gleich schnell, weil der Weg für beide Lichtstrahlen im Zug gleich ist (halbe Länge des Wagens). Für den Beobachter außerhalb des Zuges, also auf dem Bahndamm, öffnet sich aber die hintere Tür früher, da das Licht, von außen gesehen, eine kürzere Strecke zurücklegen muss, weil die Geschwindigkeit des Zuges noch dazugerechnet werden muss. Wie ist das möglich, wenn die Lichtgeschwindigkeit die höchstmögliche Geschwindigkeit ist und alle Beobachter die gleiche Geschwindigkeit messen müssen, egal wie schnell sie sich selbst bewegen? Geschwindigkeit wird mit Weg durch Zeit oder v = s / t beschrieben. Eine ruhende Person stellt fest, dass das Licht in einer Sekunde 300 000 km zurücklegt. Wenn sich eine Person aber bewegt, geht ihre Zeit langsamer, sodass für die sich bewegende Person das Licht in etwas mehr als einer Sekunde eine größere Strecke zurücklegt. Bei einer Geschwindigkeit von 1 000 km/s müßte das Licht, das von diesem Körper ausgesendet wird, von einem außenstehenden Beobachter mit 301 000 km/s gemessen werden. Das ist aber nicht möglich ist, weil nichts schneller als das Licht sein kann. Daher muss die Zeit für den Beobachter um soviel langsam laufen, dass er genau die gleiche Lichtgeschwindigkeit misst. Ein Beispiel: Eine Rakete düst mit 30 000 km/s durch den Weltraum. An ihrer Spitze ist ein Laser angebracht, der Licht nach vorne aussendet. Ein Beobachter in der Rakete mißt in einer Sekunde, dass dieser Lichtstrahl 300 000 km zurücklegt. Nun kommt das Raumschiff an einem (ruhenden) Planeten vorbei, auf dem eine Person ebenfalls die Geschwindigkeit des Laserstrahls misst. Sie würde eigentlich feststellen: v = 330 000 km (300 000 + 30 000) / s. Das ist unmöglich, also müssen für diese Person auf dem Planeten 1,1 Sekunden vergehen, wenn für den Raumfahrer 1 Sekunde vergeht: 330 000 km/1,1 s = 300 000 km/s. (Man kann z.B. ausrechnen, wie lang eine Sekunde ist, wenn man mit einem Raketenauto mit Tempo 1200 über die Autobahn rast: 1,00000000000185 s. Das zeigt, dass für irdische Verhältnisse diese Zeitveränderung nur marginale Auswirkungen hat. Je mehr man sich aber der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto stärker wird die Zeitdifferenz, bis schließlich bei Lichtgeschwindigkeit keine Zeit mehr existiert.) Das alles ist schwer vorstellbar, wenn man die Geschwindigkeiten auf der Erde als Bezug sieht. Zwei Autos, die mit 100 km/h frontal gegeneinander fahren, haben schließlich die gleiche Aufprallwucht wie ein Auto, das mit 200 km/h gegen eine Wand fährt, aber diese mechanischen Gesetze von Newton gelten nicht mehr uneingeschränkt seit Einsteins Relativitätstheorie.


Weitere Erkenntnisse durch Hawking:

Zu der Zeit, als Hawking in Cambridge am DAMTP in Dennis Sciamas Forschungsgruppe seine Dissertationsarbeit schrieb, entwickelte der britische Mathematiker und Physiker Roger Penrose eine Theorie über Singularitäten. Diese Theorie lag in der Richtung der Vorstellungen der Forschungsgruppe. Deshalb begannen sie sich damit zu befassen. Roger Penrose hatte sich mit der Frage beschäftigt, was passiert, wenn ein Stern, nachdem ihm der Brennstoff ausgegangen ist, unter der Kraft seiner eigenen Gravitation kollabiert. Penrose kam zu dem Ergebnis, daß der Stern zu einem Punkt von unendlicher Dichte schrumpfen muß (selbst wenn es nicht vollkommen symmetrisch erfolgt). Dies führt nach Einstein zu einer unendlichen Krümmung in der Raumzeit. Solche Krümmungen nennt man Singularitäten, und diese sollten sich im Inneren von Schwarzen Löchern befinden. Auch der Urknall ist eine solche Singularität. Aber wie entsteht überhaupt ein Schwarzes Loch? Zunächst einmal betrachten wir einen Himmelskörper. Dieser hat eine bestimmte Masse und einen bestimmten Radius. Der Radius stellt den Abstand zwischen Oberfläche und Schwerpunkt der Masse dar. Von diesen beiden Größen allein hängt die Fluchtgeschwindigkeit ab. Die Fluchtgeschwindigkeit ist diejenige Geschwindigkeit, die ein (kleiner) Körper haben muß, um dem Gravitationsfeld des Planeten zu entkommen, d.h. um von der Oberfläche des Planeten startend theoretisch ins Unendliche gelangen zu können. Stellen wir uns nun einen Stern vor, dessen Masse ungefähr zehnmal so groß wie die unserer Sonne ist. Seine Energie bezieht er aus der Umwandlung von Wasserstoff in Helium (Kernverschmelzung). Durch die freigesetzte Energie wird genügend Druck erzeugt, um den Stern vor seiner eigenen Gravitation zu bewahren. Der Radius beträgt in etwa fünfmal soviel wie der Radius unserer Sonne. Die oben erwähnte Fluchtgeschwindigkeit beträgt etwa 1000 km/s. Wenn der Stern seinen Brennstoff verbraucht hat, erzeugt er keine Energie mehr und nichts schützt ihn davor, infolge der eigenen Schwerkraft in sich zusammenzufallen. Die Fluchtgeschwindigkeit auf seiner Oberfläche wird während dieses Prozesses immer größer, da der Radius immer kleiner wird. Man könnte auch sagen, das Gravitationsfeld an der Oberfläche wird stärker, da es sich dem Zentrum der Masse immer weiter nähert. Wenn der Radius des Sternes nur noch 30 Kilometer beträgt, ist die Fluchtgeschwindigkeit auf 300 000 km/s (=Lichtgeschwindigkeit) angewachsen. Ab diesem Zeitpunkt kann auch das Licht die Oberfläche des Sternes nicht mehr verlassen (Licht wird nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ebenso abgelenkt wie Masse; also gilt auch die Fluchtgeschwindigkeit für das Licht). Wenn der Stern weiter schrumpft und somit zum Schwarzen Loch wird, bleibt der Radius, ab dem das Licht nicht entweichen kann, an exakt derselben Stelle. Die Grenze des Schwarzen Loches - der Ereignishorizont - ist der Radius, auf dem die Fluchtgeschwindigkeit genau Lichtgeschwindigkeit beträgt. Also kann das Licht, wenn es sich innerhalb dieses Radiuses befindet, nicht fliehen, und es wird in den Mittelpunkt hineingezogen. Da nichts schneller sein kann als das Licht, heißt das, daß nichts aus diesem Loch entkommen kann. Der Ereignishorizont (auch Schwarzschildradius genannt) bildet somit eine Grenze zwischen innen und außen, denn da keine Lichtteilchen von innen nach außen gelangen, kann man auch nicht sehen, was in seinem Inneren passiert. Der Ereignishorizont bleibt für eine konstante Masse immer gleich. Der Radius des Sternes verkleinert sich immer weiter, bis er schließlich zu einem Punkt unendlicher Dichte zusammengeschrumpft ist, zu einer Singularität. Dort ist die Krümmung im Raumzeit-Gefüge unendlich. Zu diesen Ergebnissen kommt man unter der Verwendung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Allerdings ist die Allgemeine Relativitätstheorie auch nicht anwendbar auf einen solchen Punkt der unendlichen Raumzeit-Krümmung. Da keine Informationen von innen nach außen gelangen können, ergeben sich für einen Beobachter außerhalb des Schwarzschildradiuses keine Konsequenzen durch den Zusammenbruch der Naturgesetze. Roger Penrose spricht in diesem Zusammenhang von einer Kosmischen Zensur. Obgleich sich solche Schwarzen Löcher allein mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhersagen lassen, nahmen bis in die sechziger Jahre nur wenige Wissenschaftler diese Vorraussagen tatsächlich ernst. Einer der Gründe dafür war, daß als tatsächlich existierende dichteste Objekte bis 1967 nur die Weißen Zwerge bekannt waren. Diese toten Sterne hatten etwas weniger als eine Sonnenmasse, aber waren auf die Größe der Erde zusammengepreßt. Doch 1967 wurden die Pulsare entdeckt. Das waren Radioquellen, die mit einer bestimmten Frequenz in ihrer Strahlung schwankten. Diese Schwankungen wurden durch die Schwingungen eines sehr kompakten Sternes erklärt. Doch bald stellte sich heraus, daß solch ein Stern dichter sein mußte als ein Weißer Zwerg. Die Quantentheorie lieferte auch die Erklärung: wenn der Druck zu stark wird, dann verschmelzen Elektronen und Protonen miteinander und werden zu Neutronen. Diese können wesentlich dichter gepackt werden. Der Stern wird zu einem Neutronenstern mit außerordentlich hoher Dichte. Obwohl diese Dichte nicht hoch genug ist, um ein Schwarzes Loch zu bilden, macht sie doch auch die Existenz von Schwarzen Löchern mit extrem hohen Dichten sehr viel wahrscheinlicher. Außerdem hatte man schon 1963 Quasare entdeckt. Sie strahlen so hell wie 300 Milliarden Sterne. Um dieses Phänomen erklären zu können, nahm man schon damals an, daß sich dabei ein riesiges, extrem schweres Objekt inmitten einer Galaxie befindet und diese verschluckt. Die Masse der Galaxie wird dabei in einer großen heißen Scheibe in den massereichen Körper gezogen, wobei durch die Umwandlung von Masse in Energie riesige Energiemengen entstehen. Somit hatte man die Existenz von extrem schweren Körpern bereits akzeptiert, man ging jedoch bisher davon aus, daß sie sehr groß wären und somit eine geringere Dichte aufwiesen.


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