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zur Startseite "Dossier"Zeit ist relativ
Foto: DPA/Upi/Arthur SasseVor Albert Einstein war die Sache noch klar. Alle Uhren gehen gleich; wenn sie doch anders ticken, ticken sie nicht richtig. Die Zeit galt als eine unverrückbare Größe. Eine Sekunde war eine Sekunde und dauerte immer gleich lang. Der Physiker Albert Einstein hat diese Vorstellung gründlich umgekrempelt. „Was würde geschehen, wenn ich hinter einem Lichtstrahl hereilen und ihn schließlich einholen würde?“ Diese Frage stellte er sich als 17-Jähriger. Einige Jahre später hatte er diesen Gedankengang vollendet und damit die alten Vorstellungen von der Beschaffenheit von Raum und Zeit – über 200 Jahre bestehendes Gedankengut – hinfällig gemacht, der Welt eine neue, vierte Dimension offenbart: die Zeit.
Der bescheidene Titel seiner Abhandlung deutete allerdings noch nicht darauf hin, welche physikalische Revolution der damals weitgehend unbekannte Patentbeamte aus Bern anzettelte. „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ hieß der Text, der 1905 in den Annalen der Physik erschien und die Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie enthielt. Darin zeigt Einstein, dass Zeit keineswegs eine absolute Größe ist. Fundamental: Wie schnell eine Uhr tickt und ob zwei Ereignisse gleichzeitig stattfinden oder nicht, hängt vom Beobachter ab. Wie kam Albert Einstein zu diesen Ideen, die so sehr dem gesunden Menschenverstand widersprechen? Er ließ sich von zwei einfachen Grundprinzipien leiten. Da wäre als Erstes das Relativitätsprinzip. Vereinfacht besagt es: Ob ein Mensch oder ein Körper ruht oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, lässt sich nur in Bezug auf andere Menschen oder Körper feststellen. Einen absoluten Ruhezustand gibt es nicht. Eine Erfahrung, die wir aus dem Alltag kennen: Wer in einem sanft anfahrenden Zug sitzt, kann ohne den Blick nach draußen kaum feststellen, ob der Zug noch steht oder sich schon in Bewegung gesetzt hat.
Das Tempolimit des Universums
Zweites Grundprinzip ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Licht, zum Beispiel der Strahl einer Taschenlampe oder der Blitz einer Fotokamera, bewegt sich mit immer gleicher Geschwindigkeit vorwärts – mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde. Das war für die Forscher unerwartet, aber wahr, wie eine Reihe von Experimenten nachwies. Die Lichtgeschwindigkeit ist außerdem die absolute Höchstgeschwindigkeit, wenn es darum geht, Energie oder Materie von einem Ort zum anderen zu transportieren. Sie stellt damit eine Art Tempolimit des Universums dar.
Aus diesen beiden Prinzipien schloss Einstein: Wenn die Lichtgeschwindigkeit eine Naturkonstante ist, muss sich etwas anderes ändern: die Zeit! Zeit ist eine relative Größe, ist abhängig von Bewegung. Wenn eine Uhr mit hoher Geschwindigkeit an mir vorbeifliegt, ist festzustellen, dass sie deutlich langsamer geht als das baugleiche Modell, das neben mir auf dem Boden steht. Physiker nennen dieses Phänomen Zeitdilatation. Der Effekt wird umso deutlicher, je näher die Geschwindigkeiten der Lichtgeschwindigkeit kommen. Auch Gleichzeitigkeit ist relativ: Zwei Ereignisse, die einem Beobachter als gleichzeitig erscheinen, kann ein anderer als zeitversetzt wahrnehmen.
Schneller bewegen, länger leben
Im Alltagsleben wirkt sich die Zeitdilatation nicht aus, weil es sich nur um winzige Sekundenbruchteile handelt. Aber nachweisen lässt sich der Effekt schon.
Angenommen, ein Geschäftsreisender wird von seiner Ehefrau nach Schwechat gebracht. Der Geschäftsmann steigt in den Überschallflieger nach New York, seine Frau fährt ins Büro. Beide haben extrem genaue Atomuhren im Gepäck. Der Reisende führt seine Gespräche in New York und setzt sich in die nächste Überschallmaschine, die ihn nach Hause bringt. Seine Frau, die am Boden geblieben ist, holt ihn wieder am Flughafen ab. Jetzt machen die beiden einen Uhrenvergleich. Der überraschende Effekt: Auf der Atomuhr des Mannes sind einige Milliardstelsekunden weniger vergangen. Verantwortlich dafür ist das hohe Flugtempo, mit dem ein Überschallflugzeug den Atlantik überquert. Das Experiment zeigt: Zeit ist relativ!
Noch deutlicher tritt dieser Effekt auf, wenn man Objekte betrachtet, gegen die ein Überschallflugzeug sich geradezu im Schneckentempo bewegt: Beschleunigt man Elementarteilchen, die kleinsten Bausteine der Materie, auf mehr als 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, dann erreichen selbst kurzlebige Teilchen ein überraschend hohes Alter: Im Vergleich zu Teilchen derselben Sorte, die sich in Ruhe befinden, geht ihre „innere Uhr“ deutlich langsamer. Teilchen, die sich bewegen, leben also länger.
Einstein als Co-Pilot
Allerdings spielt bei unserem Flugreisenden ein weiterer Effekt eine Rolle, den die Spezielle Relativitätstheorie nicht erklärt. Ihn kann man erst im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie verstehen, die Einstein 1915 veröffentlicht hat: Uhren laufen umso langsamer, je näher sie sich an einer Schwerkraftquelle befinden, in unserem Fall der Erde. Würde der Reisende in New York aufs Empire State Building fahren, das 381 Meter hoch ist, dann ginge seine Atomuhr auf der Aussichtsplattform minimal schneller als eine Uhr im Erdgeschoß. Alles weit weg von der Alltagswelt? Nicht ganz: Jeder, der in seinem Auto mit GPS (Global Positioning System) fährt, hat Einstein als Co-Piloten bei sich. Das GPS-System besteht aus 29 Satelliten, die um die Erde kreisen und Zeitsignale aussenden. Deren Takt wird mithilfe genauer Atomuhren reguliert, und aus den Laufzeiten mehrerer Satellitensignale berechnet der Empfänger im Auto die aktuelle Position. Wegen der großen Entfernung von der Erde überwiegen – anders als bei unserem Flugreisenden – die Auswirkungen der Gravitation, und die Satellitenuhren gehen ein wenig schneller als auf der Erdoberfläche. Da die Satelliten mit über 10.000 Stundenkilometern durchs All sausen, ticken die Uhren an Bord langsamer als baugleiche Atomuhren auf der Erde und gehen jeden Tag ein paar Millionstelsekunden nach. Wenn die Ingenieure Einsteins Formel nicht berücksichtigt hätten, wüsste der Computer in ihrem Wagen nach ein paar Wochen nicht mehr, ob er gerade in Wien oder im Waldviertel steht. Ohne Einstein kämen Sie immer zu spät.
Nette Mädchen und heiße Öfen
Die weltberühmte Formel E=mc2 ist eine weitere Konsequenz der Speziellen Relativitätstheorie. Sie besagt, dass Energie und Masse äquivalent sind. Jeder Energie entspricht eine definierte Masse; jeder Masse eine Energie. Für Physiker, die mit Teilchenbeschleunigern die kleinsten Strukturen der Materie untersuchen, gehört die Formel zum täglichen Brot. Führen sie ihren Elementarteilchen Energie zu, um sie fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, erhöht sich auch die Teilchenmasse. Würden sie das nicht berücksichtigen, wenn Magneten die Teilchen auf eine Kreisbahn zwingen, ließen sich die Beschleuniger gar nicht erst in Betrieb nehmen. Der weltweit größte Teilchenbeschleuniger befindet sich am Cern, dem europäischen Teilchenphysik-Forschungszentrum nahe Genf. Einmal beschleunigt, werden die Teilchen zur Kollision gebracht und offenbaren die zweite Facette der berühmten Formel: Dann verwandeln sich die Kollisionspartner in reine Strahlungsenergie, aus der massereiche Teilchen entstehen. Materie und Energie lassen sich ineinander umwandeln.
Der Physiker Guido Saathoff vom Max-Planck-Institut für Kernforschung in Heidelberg misst mit hochgenauen „Uhren“ die Dilatation. Lithium-Atome schwingen mit einer genauen Frequenz, Atome dienen damit quasi als Pendel der Uhren. Werden sie auf höhere Geschwindigkeiten gebracht, vergeht für sie die Zeit langsamer. „Wir haben das auf neun Stellen hinter dem Komma gemessen und können Einsteins Relativitätstheorien mit dieser Genauigkeit bestätigen“, so Saathoff.
Zu viel Physik? Einstein selbst hat es einfach erklärt: „Wenn man zwei Stunden lang mit einem netten Mädchen zusammensitzt, meint man, es wäre eine Minute. Sitzt man jedoch eine Minute auf einem heißen Ofen, meint man, es wären zwei Stunden. Das ist Relativität.“
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