Allgemeine Relativitätstheorie

Die Ortsangabe der dargestellten Szene könnte etwa so lauten: Canal Grande, Venedig, Italien, Europa, Erde, Sonnensystem, Milchstraße, Universum.
Unser Universum besteht hauptsächlich aus leerem Raum. Es hat einen Durchmesser von ca. 96 Milliarden Lichtjahren und ist knapp 14 Milliarden Jahre alt. Die plötzliche Entstehung des Universums war – so zumindest das Gros der bisherigen Theorien - der Urknall und seither dehnt es sich aus. Damals war die Temperatur des Universums so hoch, dass die Materie, wie wir sie heute kennen, noch nicht existiert hat. Es lag ein Quark-Gluonen-Plasma vor. Quarks und Gluonen sind die Bausteine, aus denen die Elementarteilchen Protonen und Neutronen aufgebaut sind.
„Ausdehnen“ ist dabei aber eine leicht verwirrende Bezeichnung, weil dadurch die Frage „Worin bzw. wohin dehnt sich das Universum aus?“ suggeriert wird. Diese Frage ist aber nach der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) falsch gestellt. Denn nach der ART gibt sich das Universum, also Raum und Zeit, seine Struktur selbst. Der dreidimensionale Raum mit den Koordinaten (x,y,z) und die Zeit t werden dabei als äquivalent angesehen. Um dies zu betonen, wird der Begriff der vierdimensionalen „Raumzeit“ verwendet. Die Koordinaten der Raumzeit sind (ct, x, y, z), wobei ct die mit der Lichtgeschwindigkeit c multiplizierte Zeit ist. Dies deshalb, damit alle Koordinaten die Dimension einer Länge haben. Und die Frage, was sich jenseits der Grenzen unseres Universums befindet, ist deshalb sinnlos, weil es dort weder Raum noch Zeit gibt.
Schon aus der Speziellen Relativitätstheorie folgt nach Albert Einstein die Beziehung E=mc2. Sie besagt, dass die dynamische Masse m und Energie E äquivalent sind (mit dem Multiplikationsfaktor Lichtgeschwindigkeit hoch 2). Dies hat nun aber sehr interessante Konsequenzen: Erstens folgt daraus, dass Masse in Energie umgewandelt werden kann. Und nachdem c sehr groß ist und damit c2 noch viel größer, steckt jede Menge Energie in der Masse.
Diese Erkenntnis führte zur Entwicklung der Atombombe und der Kernkraftwerke. Zweitens folgt mit der Äquivalenz von träger Masse (jenes m im 2. Newtonschen Gesetz F=m*a) und schwerer Masse (jenes m im Newtonschen Gravitationsgesetz), dass Energie auch die Ursache für Gravitation ist. Dies kann experimentell nachgeprüft werden, z.B. durch die Ablenkung von elektromagnetischen Wellen (Licht) durch das Gravitationsfeld der Sonne. Einstein entwickelte die ART als Theorie der Gravitation.

Links:
Vorlesung ART: URL: http://tuwis.tuwien.ac.at/zope/_ZopeId/50228269A20wt9kFO2Y/tpp/lv/lva_html?num=135718&sem=2006W