Bewegungen können überlagert werden: Fahren zwei Züge mit 100 km/h aufeinander zu, so nähern sie sich mit insgesamt 200 km/h. rennt nun jemand in einem der Züge mit 20 km/h nach vorne, so bewegt er sich für einen Außenstehenden mit 120 km/h, er nähert sich dem anderen Zug mit insgesamt 220 km/h. Läuft er aber mit der selben Geschwindigkeit nach hinten, so bewegt er sich für einen Außenstehenden mit 80 km/h in die andere Richtung und nährt sich dem anderen Zug mit 180 km/h.
Geschwindigkeiten können also addiert und auch subtrahiert werden.
Wenn dieses Naturgesetz immer gelten würde, müsste es auch für das Licht gelten. Wenn ein Stern mit 200 km/s von der Erde wegfliegt, müsste die Geschwindigkeit seines Lichtes für uns 299.592,458 km/s betragen schnell sein. Wenn ein Stern mit 200 km/s auf die Erde zufliegt, so würde uns sein Licht mit einer Geschwindigkeit von 299.992,458 km/s erreichen.
Die Besonderheit des Lichtes: Das Eigenartige ist, dass dies eben nicht zutrifft. Licht bewegt sich immer mit 299.792,458 km/s fort!! Nun überlegte sich Einstein, was diese besondere Eigenschaft des Lichtes für Auswirkungen auf die Naturgesetze haben würde. Er führte dabei keine Experimente durch, denn alles, was seine Theorie beinhaltet, hatte Einstein durch das Kombinieren der bereits vorhandenen Formeln herausgefunden.
Wir unterteilen die Relativitätstheorie heute in zwei Teile: Die spezielle Relativitätstheorie und die allgemeine Relativitätstheorie. Die spezielle Relativitätstheorie befasst sich besonders mit den Eigenschaften von Körpern bei hohen Geschwindigkeiten. Die allgemeine Relativitätstheorie ist bei weitem schwieriger und hat die größere Bedeutung. In ihr geht es besonders um den Raum, die Zeit, die Schwerkraft und die Beziehungen zwischen ihnen mit den Auswirkungen, die diese Beziehungen haben.
Die spezielle Relativitätstheorie: Am besten lässt sich diese Theorie an einem Gedankenexperiment erklären: Ein Raumschiff der Zukunft, das fast Lichtgeschwindigkeit erreichen kann, startet zu einer Reise in den Weltraum. Die Bodenstation hält mit der Besatzung über Funk und einem Bildschirm Kontakt. Außerdem beobachtet sie über ein höchst sensibles Raumteleskop das Raumschiff von außen. Stellen wir uns vor, wir wären auf der Bodenstation.
Je weiter das Raumschiff weg fliegt, umso länger brauchen die Signale, um zu uns zu gelangen. Erreicht das Raumschiff den äußersten Planeten des Sonnensystems, den Pluto, so brauchen sie ca. 5 Stunden bis zur Erde. Wir auf der Bodenstation sehen also, was sich vor 5 Stunden auf dem Raumschiff ereignet hatte. So weit, so klar. Die Radiowellen, die die Bilder übertragen,
bewegen sich schließlich mit Lichtgeschwindigkeit (eigentlich sind sie ein Teil des Lichts, das eine zu hohe Wellenlänge hat, um von uns wahrgenommen zu werden) und brauchen ihre „Zeit“, um die Distanz zwischen Pluto und Erde zurückzulegen.
Hohe Geschwindigkeiten-Seltsame Veränderungen: Schwierig wird es, wenn das Raumschiff eine Geschwindigkeit von 200.000 km/s erreicht. Wenn wir durch das Teleskop sehen, scheint das Raumschiff zu schrumpfen. Die Uhren an Bord des Raumschiffs vergehen langsamer, die Piloten sprechen langsamer und schleichen im Schneckentempo durch das Raumschiff. Bei einer Geschwindigkeit von 290.000 km/s ist das Raumschiff nur noch eine dicke Scheibe, die Zeit an Bord vergeht knapp 4 mal langsamer als auf der Erde. Erreicht das Raumschiff 299.000 km/s erscheint es nur noch als dünne Platte, die Bordzeit vergeht 12 mal
langsamer als auf der Erde.
Die Zeit spielt verrückt: Jetzt wird es richtig schwer. Denn für die Besatzung vergeht die Zeit an Bord völlig normal. Ihr erscheint es, als gingen die Uhren auf der Erde immer schneller. Ihnen könnte es scheinen, als würde auf der Erde jede Minute eine neue Tageszeitung erscheinen, jeden Tag wäre Bundestagswahl und die Menschen würden nur drei Wochen leben.
Während es uns erscheint, das Raumschiff würde schrumpfen, so scheint es der Besatzung, als würde der Raum um sie herum schrumpfen, d.h. die Entfernung zur Erde würde ihnen kürzer
erscheinen als die Entfernung, die wir von uns zu ihnen messen.
Was geschieht bei Lichtgeschwindigkeit?: Wenn das Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit fliegen könnte, würde es für uns nicht mehr zu sehen sein. Mit zunehmender Geschwindigkeit, nimmt nämlich auch die Masse des Raumschiffs zu, und zwar im selben Maße, wie die Bordzeit langsamer vergeht!! Bei Lichtgeschwindigkeit wäre die Masse des Raumschiffs unendlich groß und der Antrieb müsste unendlich stark sein! Das ist natürlich unmöglich. Die Lichtteilchen, die das Licht übertragen und sich deshalb logischerweise mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, können also keine Masse haben!°! Für sie steht die Zeit still und der Raum schrumpft zu einem Nichts zusammen!°! Verallgemeinert heißt das, dass alle Gegenstände, die fast Lichtgeschwindigkeit erreichen schwerer werden und dass für sie die Zeit langsamer vergeht!! Heute ist es schon möglich, kleine Elementarteilchen auf fast Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Was die Physiker bei diesen Teilchen erkannt haben, beweist, dass Einstein Recht hatte!
Die allgemeine Relativitätstheorie: Wie weiter oben gesagt, handelt diese Theorie hauptsächlich von Raum, Zeit und Schwerkraft. Zurzeit von Einstein war die Schwerkraft noch immer etwas Unbegreifliches. Zwar hatte Isaac Newton schon eine Formel aufgestellt, die beschrieb, wie die Erde um die Sonne und der Mond um die Erde kreist. Doch niemand konnte erklären, was Schwerkraft eigentlich ist!! Wenn man sich nach Newton richtet, könnte man denken, die Schwerkraft sei eine unsichtbare Schnur, die den Mond mit der Erde verbindet.
Eine neue Vorstellung von Schwerkraft: Einstein entwickelte eine völlig andere Ansicht. Er stellte sich vor, dass die Schwerkraft und alles, was Schwerkraft hat (wie die Erde), den Raum beeinflusst. Aber dann kann das All kein leerer Raum sein, er muss eine Art Stoff sein, und die Schwerkraft muss eine Vertiefung im Raum verursachen. Man kann sich auch diese äußerst schwierige Theorie am besten mit einem Gedankenexperiment veranschaulichen (wenn das überhaupt möglich ist). Man stellt sich den dreidimensionalen Raum als zweidimensionales Netz aus Gummifäden vor. Legt man auf dieses Netz eine Kugel, so dellt sich das Netz ein, erzeugt also eine Vertiefung. Dasselbe passiert mit dem Raum um der Erde und um jedes andere Objekt mit einer Masse, in alle vier Dimensionen (die vierte Dimension, ist die ZEIT)!! Der Mond ist sozusagen unten in dieser Vertiefung. Er dreht sich dort wie die Roulettekugel beim Roulette. Da es nichts gibt, was diese Bewegung bremst (im Weltraum gibt es bekanntlich keine Luft oder ähnliches), dreht er sich dort immer weiter. Wir selbst leben ganz unten in der Kuhle. Ein Fallschirmspringer fällt quasi in die Raumvertiefung hinein, die die Erde erzeugt hat.
Krümmungen in der Zeit: Die Schwerkraft beeinflusst aber nicht nur den Raum, sondern auch die Zeit. Raum und Zeit gehören zusammen, wie Länge und Fläche eines Rechtecks, beeinflusst man den RAUM, beeinflusst man auch die ZEIT)!!! Einstein fand einen neuen Namen für das Geschehen, er nannte es RAUMZEIT. Wenn ein Stern also die Raumzeit krümmt, dann krümmt er nicht nur den Raum, sondern auch die Zeit, genau wie bei größer werdender Geschwindigkeit, sich die Masse eines Körpers erhöht, und bei Lichtgeschwindigkeit unendlich wäre. Denn die Größe der Lichtgeschwindigkeit, kann unter KEINEN Umständen verändert werden, weder schneller gemacht, noch langsamer, es verändert sich nur die Wellenlänge, sprich die Farbe des Lichts!!! Wenn das stimmt, muss die Zeit in einer Krümmung, oder bei hohen Geschwindigkeiten langsamer vergehen als draußen, im Leeren All, oder bei niedrigen Geschwindigkeit!°!°! Es sind tatsächlich Atomuhren hoch über die Erdoberfläche (weit entfernt von der Masse „Erde“) gebracht worden, und die Uhren sind tatsächlich schneller gegangen als die Uhren auf der Erde.
der Masse „Erde“) gebracht worden, und die Uhren sind tatsächlich schneller gegangen als die Uhren auf der Erde.
Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt viele Phänomene der speziellen Relativitätstheorie. Das fast Licht schnelle Raumschiff hat bei zunehmender Geschwindigkeit eine immer größere Masse. Es erzeugt eine immer größere Krümmung im Raum. Deshalb scheint es kürzer zu werden, deshalb scheint für die Raumfahrer der Raum zu schrumpfen
und deshalb vergeht an Bord (unten in der Raumzeitkrümmung um das Raumschiff) die Zeit langsamer. Die allgemeine Relativitätstheorie besagt noch einiges mehr und ist äußerst kompliziert.
Die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie hat zu vielen weiteren Schlüssen geführt. Sie erklärt, weshalb wir manche Quasare (sehr weit entfernte Galaxien) doppelt sehen. Wenn der Weg ihres Lichtes zu uns an einer massereichen Galaxie vorbeiführt, „sausen“ die Lichtstrahlen einmal rechts und einmal links durch die Raumkrümmung und kommen so gleich zweimal bei uns an. Da unser Auge aber alle Lichtstrahlen für gerade hält, sieht es für uns aus, als würden wir zwei Quasare sehen.
Neutronensterne: Was ist ein Neutronenstern überhaupt? Ein Neutronenstern ist der Rest eines sehr großen Sterns. In ihm ist die Materie unglaublich dicht konzentriert. Beim Neutronenstern handelt es sich um ein Objekt – bis zu 3 Sonnenmassen quetschen sich in eine Kugel mit nur 20 Kilometern Durchmesser. Ein cm3 dieser Materieform wiegt so viel, wie ein Würfel gefüllt mit Wasser, mit 1 Kilometer Kanterlänge, also 1 Billion (1012) Liter Wasser. Durch seine große Schwerkraft ruft er eine starke Krümmung in des Raums hervor. Ein Gegenstand auf dem Neutronenstern fiele mit einer Schwerebeschleunigung von 7,2*1012 km/s2 zu Boden. Zum Vergleich: auf der erde beträgt die Schwerebeschleunigung 9,81 m/s2. Es ist selbstverständlich unmöglich, dass Menschen sich auf so einem Stern aufhalten, weil sie sofort zerquetscht würden. Aber wenn es möglich wäre, würde es dort eine Reihe höchst seltsamer Erscheinungen geben. Es wäre möglich, seinen eigenen Hinterkopf zu sehen, da die Lichtstrahlen, die von dem Hinterkopf ausgehen durch den gekrümmten Raum einmal um den ganzen Stern laufen würden. Auch könnte man, wenn man hoch oben in einem Hochhaus wohnen würde, einen ganzen Tag Mittagspause machen. Hält man sich nämlich einen Tag oben in dem Haus auf, so sind unten auf dem Boden nur ein oder zwei Stunden vergangen.
Schwarze Löcher:
Schwarze Löcher gehören sicherlich zu den am meisten diskutierten Objekten im Weltraum. Auch sie sind wie die Neutronensterne Überreste von sehr großen Sternen. Wenn so ein riesiger Stern stirbt, werden seine äußeren Hüllen fortgeschleudert, sein Kern aber fällt in sich zusammen. Die Teilchen, aus denen er besteht, werden dabei bis auf einen Punkt zusammengedrängt, den man Singularität nennt.
Auf einem Schwarzes Loch mit seiner unendlichen Dichte vergeht keine Zeit mehr, weil der Raum unendlich gekrümmt wird, weshalb sich die Photonen, die das Licht übertragen, nicht mehr bewegen können (Bewegung ist Strecke pro Zeit), denn zur Bewegung braucht man die Zeit, die die bewegte Strecke pro Zeiteinheit beschreibt. Wenn also die Zeit stillsteht, bewegt sich auch das Licht nicht, und man kann nichts sehen! Das ist der Grund, warum „Schwarze Löcher“ schwarz sind!
Die Relativitätstheorie deutet auf diese Körper hin, aber zu Einsteins Zeit konnte sich niemand vorstellen, dass es sie geben könnte, Einstein eingeschlossen. Zu kurios und unwahrscheinlich wären Entstehung und Auswirkungen eines Schwarzen Loches. Aber heute sind sich Astronomen sicher, dass es sie gibt. Im Zentrum unserer Milchstraße soll eines liegen.
Wenn Sterne kollabieren:
Zusammen mit dem ebenfalls berühmten Physiker Roger Penrose beschäftigte sich sehr berühmteste Astrophysiker Stephen Hawking zunächst mit der Frage, was eigentlich von einem massereichen Stern übrigbleibt, wenn er am Ende seines Sternenlebens kollabiert und danach in einer Super Nova explodiert. Ist der kollabierende Sternkern schwerer als 3 Sonnenmassen, geschieht etwas völlig Unerwartetes. Die Materie wird so sehr zusammengedrückt, dass die Fluchtgeschwindigkeit der entstandenen kompletten Materiekugel so groß wird wie die Lichtgeschwindigkeit. Das heißt: Das Licht kommt von der Materiekugel nicht mehr davon – ein Schwarzes Loch entsteht. Das faszinierende an diesen Objekten ist, dass nicht gesagt werden kann, in welcher Form die Form die Materie im Inneren des Loches vorliegt! Ein Schwarzes Loch ist „Masse ohne Materie“. Hier kommt die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein ins Spiel. Sie besagt, dass Massen die Raumzeit krümmen und umgekehrt, dass gekrümmte Raumzeit eine Form von Masse darstellt. Die Masse des Schwarzen Loches steckt also in der gekrümmten Raum Zeit! Karl Schwarzschild fand im Jahr 1916 eine Lösung von Albert Einsteins Theorie, die die Raumzeit des Loches exakt beschreibt. Er zeigte auch, im Zentrum des Schwarzen Loches Die Krümmung der Raumzeit unendlich wird – eine Krümmungssingularität! Stephen Hawking befasste sich mit diesen Singularitäten genauer. Das perfide an den Singularitäten ist, dass in ihnen die Physikalischen Gesetze ihre Gültigkeit verlieren, also jede Beschreibbarkeit versagt! Roger Penrose und Stephen Hawking untersuchten, unter welchen Bedingungen Singularitäten auftreten. Sie fanden ein Naturgesetz, das zwingend erfordert, dass Singularitäten auftreten müssen. Die mathematischen Sätze, die dies beschreiben, sind als „Singularitässtheoreme“ bekannt.
(Quelle: Abenteuer Astronomie, Dezember 2016 / Januar 2017)
Auswirkungen eines Schwarzen Loches: Durch seine enorme Schwerkraft ruft ein schwarzes Loch schwerwiegende Veränderungen in der Raumzeit der Umgebung hervor. Wenn schon die Erde mit ihrer vergleichsweise geringen Dichte einen Schwerkraftschlund erzeugt, wie müsste dann der Schwerkraftschlund eines schwarzen Lochs aussehen? Die Antwort ist: Wie ein bodenloser Brunnen. Unten in dem Brunnen spielen sich sehr eigenartige Sachen ab.
Wie erkennt man ein schwarzes Loch, wenn es kein Licht oder andere Strahlung absorbiert oder emittiert? Ein schwarzes Loch ausfindig zu machen ist nicht ganz einfach. Wir können nur Dinge wahrnehmen, die entweder Licht reflektieren oder aussenden. Ein schwarzes Loch leuchtet nicht und reflektiert auch kein Licht, da das Licht, das auf ein schwarzes Loch trifft, auf Nimmerwiedersehen im Schwerkraftschlund desselben verschwindet. Man kann schwarze Löcher am besten entdecken, wenn sie zu einem Doppelsternsystem gehören. Diese Erscheinung von zwei Sternen, die umeinander kreisen gibt es oft im Universum. Stirbt einer der beiden Sterne und wird zum schwarzen Loch, so kreisen das schwarze Loch und der verbliebene Stern weiter
umeinander. Das schwarze Loch reißt dabei Masse von dem Stern zu sich. Die Materie beginnt um das schwarze Loch zu kreisen und sendet dabei das komplette elektromagnetische Spektrum, bis hin zu Röntgenstrahlen aus, bevor sie ins schwarze Loch gezogen wird. Wegen dieser Strahlung und den Auswirkungen des Schwarzen Loches ist es möglich, es zu lokalisieren.
Ein neues Bild des Kosmos: Eine der wichtigsten Aussagen der Relativitätstheorie ist die, dass Masse den Raum krümmt. Nun befindet sich ja so einiges an Masse im Universum. Wäre es nicht möglich, dass der ganze Weltraum durch die Masse der Sterne so gekrümmt wird, dass er sich um sich selbst krümmt? Er wäre dann in einer vierten Dimension und wäre grenzenlos und doch endlich. Wenn ein Raumschiff von der Erde losfliegen und immer geradeaus weiterfliegen würde, käme es nach langer „Zeit“ wieder bei der Erde an. Den Raumfahrern geht es wie einer Ameise auf einem Ball, die auch immer geradeaus krabbelt, ohne je das Ende des Balles zu erreichen (weil es so gesehen gar kein Ende gibt, wie im Weltall)!!
Die berühmte Formel: E=m*c²:
Für was stehen eigentlich die Platzhalter in dieser Gleichung? E steht für Energie. Ihren Betrag erhält man wenn man die Masse m mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit c multipliziert. Wenn man bedenkt, dass die Lichtgeschwindigkeit 299.792,458 km/s beträgt, kann man sich vorstellen, wie riesig E sein muss. Die Formel besagt also, dass Masse und Energie austauschbar sind und gibt an, wie viel Energie aus der Masse entsteht und wie viel Energie notwendig ist, um Masse zu erzeugen. Nach dieser Formel erzeugt die Sonne und alle anderen Sterne ihre Energie. (Kernfusion) In ihrem Kern werden je zwei Wasserstoffatome zu Helium verschmolzen. Dabei geht eine winzige Menge Masse verloren. Sie wird in reine Energie umgewandelt. Die Sonne kann so bei minimalem Masse Verlust unglaubliche Mengen an Energie bereit stellen.
Wie nutzt der Mensch diese Formel? Auch die Atomkraftwerke erzeugen ihre Energie nach der Einstein-Formel. Im Atomkraftwerk werden nämlich Atomkerne (unter Anderem Uran) mit Neutronen beschossen (das sind Teile von Atomkernen, die keine elektrische Ladung besitzen). Trifft ein Neutron auf einen Urankern, wird dieser gespalten und setzt dabei zwei weitere Neutronen frei, die wieder weitere Urankerne spalten. Bei jeder Kernspaltung geht auch hier eine winzige Masse verloren, die in reine Energie umgewandelt wird. Die Kernenergie verbraucht dabei viel weniger „Brennstoff“ (eigentlich ist es ja kein „Brennstoff“) als zum Beispiel ein Kohlekraftwerk, für das ohnehin die Rohstoffe ohnehin langsam knapp werden. Die Schattenseite der Kernkraft ist die Gefahr eines Unfalls und die damit verbundene Freisetzung gefährlicher Strahlung (bei Kernspaltung). Diese Eigenschaften des Urans macht sich auch die Atombombe zunutze. Bei der Explosion geschieht praktisch das selbe wie im Atomkraftwerk, nur viel heftiger und unkontrolliert. Durch die enormen Mengen an freigewordener Energie und Strahlung verdampft Metall in einem Umkreis von mehreren tausend Metern. Hoffen wir, dass der Mensch genug Vernunft besitzt, so eine Waffe nie mehr ein zu setzen!!!