Wie funktioniert die Krümmung selbst? Ich verstehe nicht, warum es für einen Körper mit einer Masse einfacher ist, den Raum zu krümmen, als eine Kraft auf einen anderen Körper auszuüben. Wie kann ein Körper mit einer Masse den Raum krümmen?
Wie funktioniert die Krümmung selbst? Ich verstehe nicht, warum es für einen Körper mit einer Masse einfacher ist, den Raum zu krümmen, als eine Kraft auf einen anderen Körper auszuüben. Wie kann ein Körper mit einer Masse den Raum krümmen?
In Kurzform: Die Annahme einer Gravitationskraft (Gravitationsgesetz nach Newton) kann einige Beobachtungen in der Nähe großer Massen schlechter erklären als die Krümmung der Raumzeit (Allgemeine Relativitätstheorie nach Einstein). Oder noch einfacher: Rechnet man mit Newton, kommt das falsche Ergebnis heraus, mit Einstein das richtige.
Vielleicht sollte man zu Beginn erst einmal den Begriff „Naturgesetz“ klären. Muss sich die Natur nach einem Gesetz richten, das wir aufgestellt haben? Tatsächlich ist es umgekehrt. Wir machen bestimmte Beobachtungen und Experimente und formulieren unsere Ergebnisse in „Naturgesetzen“. Waren wir gut darin, dann finden wir vielleicht später in ganz anderen Beobachtungen, dass hier die von uns gefundene Gesetzmäßigkeit ebenfalls gilt.
Eine solche Verknüpfung hat Isaac Newton gefunden. Er hat die nach ihm benannten Gesetze formuliert, die sowohl das Fallen eines Apfels als auch die Bewegungen der Planeten um die Sonne beschreiben. Die von ihm gefundenen (oder aufgestellten) Gesetze machen mehrere implizite Annahmen, die ihm nicht klar waren: Die Gravitationskraft breitet sich unendlich schnell aus, Licht hat keine Masse und ist ebenfalls unendlich schnell.
Ende des 19., Anfang des 20. Jahrhunderts waren die experimentellen Möglichkeiten viel besser und man hat unter anderem festgestellt, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, die in allen Bezugssystemen gleich groß ist. Einstein konnte in der Speziellen Relativitätstheorie eine mathematische Formulierung finden, die diesen Effekt beschreibt. Eine Konsequenz daraus war, dass Längen nicht in allen Bezugssystemen gleich groß sind und die Zeit dort unterschiedlich schnell verlaufen kann. Und über E=mc^2 hat er Lichtteilchen eine Masse gegeben. Ab diesem Zeitpunkt war klar, dass nicht nur Licht, Raum und Zeit zusammenhängen, sondern wegen der Masse auch die Gravitation mit diesen drei Größen verknüpft werden muss.
Die Ausgangsüberlegungen sind folgende:
Wenn ein Körper in einem Gravitationsfeld fällt, dann wird er schneller. Wegen dieser zunehmenden Geschwindigkeit verändern sich Raum und Zeit - sagt die Spezielle Relativitätstheorie. Weil der Körper aber immer schneller wird, ist diese Veränderung von Raum und Zeit an jedem Punkt eine andere.
Das reicht aber noch nicht, denn wenn der Körper auf die Gravitationsquelle zufällt, verkürzt sich sein Abstand zu ihr, das heißt die Kraft und damit die Beschleunigung wird immer größer – damit fällt die Änderung von Raum und Zeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie noch stärker aus, als man es anhand der Speziellen Relativitätstheorie vermuten würde.
Einstein hat zehn Jahre gebraucht, um eine mathematische Formulierung zu finden, die eine korrekte mathematische Beschreibung der Beobachtungen und Experimente liefert. In Tests der allgemeinen Relativitätstheorie – Wikipedia
sind zunächst die klassischen Beobachtungen zu finden:
Die Bahn des Merkur ist keine Ellipse, wie sie sich aus Newton ergibt. Eben weil sich Raum und Zeit in sonnennahen Positionen des Merkur anders verhalten als in sonnenfernen.
Licht wird durch Gravitation abgelenkt. Und diese Ablenkung ist stärker, als man nach der SRT erwarten würde (Also Newton plus Lichtmasse).
Inzwischen gibt es noch viele weitere Beobachtungen und Experimente, die Newton als einen Spezialfall für niedrige Gravitation zeigen. Letztlich ist die Krümmung der Raumzeit eine geometrische Interpretation einer Gleichung, weil wir Menschen eben in Bildern denken. Wir leben in Raum und Zeit, in mittleren Größenordnungen und Temperaturen. Je weiter die Bedingungen in unseren Beobachtungen und Experimenten von dieser mesoskopischen Welt abweichen, um so fremdartiger kommen uns die Ergebnisse vor – und das fängt mit Raum und Zeit an.