Die Allgemeine Relativitätstheorie ist ja bekanntlich schwer zu verstehen – ein Grund, warum es hier soviele Artikel dazu gibt. Aber eine – wenn nicht sogar die – Grundidee dahinter ist eigentlich ziemlich simpel, denn letztlich hat Einstein nichts gemacht, als die beiden Newtonschen Gesetze zu vertauschen.
Betrachten wir ein klassisches Beispiel (auch in diesem Video zu finden): Ein Apfel hängt an einem Baum, löst sich irgendwann und fällt dann herunter – der Legende nach genau auf Newtons Kopf oder Nase.
Newton würde das so beschreiben: Solange der Apfel am Baum hängt, wirkt insgesamt keine Kraft auf den Apfel, denn ein Objekt, auf das keine Kraft wirkt, bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit (in diesem Fall mit Geschwindigkeit Null, weil der Apfel ja seinen Ort nicht ändert). Das ist das berühmte erste Newtonsche Gesetz:
Wenn keine Kraft wirkt (oder sich alle Kräfte aufheben), bewegt sich ein Objekt gleichförmig mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geraden Linie.
Wenn man genau hinguckt, dann sieht man, dass eigentlich zwei Kräfte auf den Apfel wirken – die Schwerkraft zieht den Apfel nach unten, aber der Ast zieht ihn mit gleicher Kraft nach oben, was man auch daran sehen kann, dass der Stängel selbst eine Kraft erfährt – mit einem hinreichend genauen Messaufbau könnten wir sehen, dass er ein wenig elastisch gedehnt wird. Die beiden Kräfte sind gleich groß, aber genau entgegengesetzt zueinander, deshalb heben sie sich auf.
Und wenn der Stängel dann irgendwann zu schwach geworden ist, um den Apfel zu halten, dann löst sich der Apfel. Jetzt überträgt der Stängel keine Kraft mehr, es wirkt nur noch die Schwerkraft, und die beschleunigt den Apfel nach unten, so dass er zu Boden fällt. Hier schlägt also das zweite Newtonsche Gesetz zu:
Kraft ist Masse mal Beschleunigung. (folgt dem Link für eine ausführliche Erklärung des ersten und zweiten Newton-Gesetzes)
Graphisch kann man das, was passiert, in einem kleinen Diagramm veranschaulichen, in dem man auf der horizontalen Achse die Zeit und auf der senkrechten Achse den Ort aufträgt. So sieht das Diagramm dann aus (Idee dazu aus dem oben verlinkten Video):
Am Anfang ist der Apfel in Ruhe, im Diagramm ist sein Weg also eine gerade und horizontale Linie, der Ort ändert sich ja nicht. Wenn der Apfel fällt, ändert er seinen Ort mit der Zeit und wird dabei immer schneller, also wird die Linie gekrümmt. (Eine schräg verlaufende gerade Linie würde bedeuten, dass der Apfel sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, dann wäre er auch kräftefrei.)
Soweit Newton. Aber Einstein hatte einen Einwand dagegen: Normalerweise merken wir es, wenn Kräfte auf uns wirken – wenn wir im Auto sitzen und das Auto beschleunigt, dann werden wir in die Sitze gedrückt, wenn ein Fahrstuhl uns nach oben beschleunigt, dann werden wir nach unten gedrückt. Wenn wir dagegen im freien Fall sind, dann merken wir davon nichts – ein frei fallendes Objekt ist schwerelos, so wie die Astronautinnen in einer Raumstation. (Die sind auch nicht schwerelos, weil die Station so weit von der Erde weg ist…) Einstein überlegte eine Weile herum, ob es irgendeine Möglichkeit gibt, zu merken, dass man gerade im freien Fall ist, und stellte schließlich fest, dass es diese Möglichkeit lokal nicht gibt. “Lokal” bedeutet, dass ihr nur Experimente machen dürft, die eine kurze Zeit dauern und auf einen kleinen Raumbereich beschränkt sind. (Natürlich gilt es nicht, einfach zu gucken, ob sich der Boden nähert, und wenn man weiter entfernte Objekte hat, die auch fallen, dann merkt man, dass die sich anders bewegen – zwei frei fallende Steine zum Beispiel bewegen sich ja ein wenig aufeinander zu, weil sie beide zum Erdmittelpunkt fliegen).
Einstein hatte ja die Angewohnheit, einfache Ideen zum Prinzip zu erklären und zu sehen, wo man damit landet (“Hey, was wäre, wenn die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter immer gleich wäre…”). Wo landet man also, wenn man diese Erkenntnis zu Ende denkt?
Kommentare (103)