Raum und Zeit in der speziellen Relativitätstheorie

Raum und Zeit in der klassischen Physik

• Raum und Zeit existieren objektiv und insbesondere auch unabhängig vom Bewegungszustand eines Körpers.
• Es gibt keine Wechselbeziehungen zwischen Raum und Zeit. Sie beeinflussen sich gegenseitig nicht.
• Der Raum ist unendlich ausgedehnt. Alle Punkte und alle Richtungen des Raumes sind gleichberechtigt.
• Die Zeit ist unendlich ausgedehnt und nur von einer Dimension. Damit sind Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft eindeutig festgelegt. Alle Zeitpunkte sind aus physikalischer Sicht gleichberechtigt.
• Raum und Zeit sind universell, d.h. die räumlichen Abmessungen eines Körpers und die Zeitdauer eines Vorgangs sind unabhängig vom Bezugssystem.

Raum und Zeit in der speziellen Relativitätstheorie

In seiner speziellen Relativitätstheorie hat ALBERT EINSTEIN 1905 völlig neue Vorstellungen über Raum und Zeit entwickelt, die mit den klassischen Vorstellungen nicht vereinbar sind. Sie lassen sich zusammenfassend folgendermaßen charakterisieren:
- Es gibt weder einen absoluten Raum noch eine absolute Zeit.
- Raum und Zeit existieren nicht unabhängig voneinander, sondern sind stets miteinander verbunden.
- Raum und Zeit sind relativ, also abhängig von dem Inertialsystem, in dem man sich jeweils befindet. Dabei sind alle Inertialsysteme gleichberechtigt.

Der Mathematiker HERMANN MINKOWSKI (1864-1909), der nicht nur einer der Lehrer von ALBERT EINSTEIN war, sondern auch entscheidend zur mathematischen Ausgestaltung der speziellen Relativitätstheorie beigetragen hat, formulierte am 21. September 1908 in einem Vortrag auf der 80. Versammlung Deutscher Naturforscher und Ärzte in Köln:

„Die Anschauungen über Raum und Zeit, die ich Ihnen entwickeln möchte, sind auf experimentell-physikalischen Boden erwachsen. Darin liegt ihre Stärke. Ihre Tendenz ist eine radikale. Von Stund an sollen Raum für sich und Zeit für sich völlig zu Schatten herabsinken, und nur eine Art Union von beiden soll Selbständigkeit bewahren.“

Zur Veranschaulichung entwickelte MINKOWSKI Raum-Zeit-Diagramme, Nähere Erläuterungen dazu sind unter dem Stichwort „MINKOWSKI-Diagramme“ zu finden.

Der englische Astrophysiker JAMES HOPWOOD JEANS (1877-1946) äußerte:

„Wenn wir unsere subjektive menschliche Brille abnehmen, werden wir gewahr, daß ein Ereignis nicht mehr in einem Raumpunkt und einem Zeitpunkt geschieht, sondern in einem Punkt des Kontinuums existiert, der Zeit und Raum des Geschehens zusammenfaßt; und wir entdecken so, daß die primären Elemente der Natur nicht Dinge sind, die in Raum und Zeit existieren, sondern Ereignisse im Raum-Zeit-Kontinuum. Ein Ereignis, das durch seine Dauer in der Zeit gekennzeichnet war, kann jetzt als eine stetige Folge von Ereignissen angesehen werden, wobei jedes Ereignis das Dasein des Gegenstandes in einem Zeitaugenblick und einem Raumpunkt bedeutet“.

Die Einteilung von Ereignissen in vergangene, gegenwärtige und zukünftige kann mithilfe eines Raum-Zeit-Diagramms (MINKOWSKI-Diagramms) erfolgen: Aus relativistischer Sicht liegen alle Ereignisse innerhalb oder auf einem Kegel, der durch Lichtsignale gebildet wird. Man bezeichnet ihn auch als Ereigniskegel. Dabei gilt:

• Die Mantelfläche charakterisiert die Weltlinien von Objekten, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
• Aus dem Kausalitätsprinzip (eine bestimmte Ursache ruft eine bestimmte Wirkung hervor) ergibt sich, dass nur Ereignisse, die im Vergangenheitskegel liegen, Ursache für ein Ereignis in der Gegenwart sein können.
• Ursache für ein künftiges Ereignis kann nur ein gegenwärtiges Ereignis sein, wobei sich das künftige Ereignis im Zukunftskegel abspielt.

Die Lichtgeschwindigkeit begrenzt somit die Raum-Zeit-Bereiche, in denen Ereignisse ablaufen können. Wäre es möglich, Signale mit einer größeren Geschwindigkeit als der Vakuumlichtgeschwindigkeit auszusenden, so könnten wir Informationen aus der Zukunft erhalten oder Informationen in die Vergangenheit senden. Beides widerspricht jeglicher Erfahrung.