Einsteins Uhren ticken anders

Zeit in der Relativitätstheorie

Nichts ist schneller als das Licht, und das Licht ist immer gleich schnell. In Einsteins Welt hat das Konsequenzen: Zeit und Raum sind keine absoluten Größen mehr, sondern abhängig vom Bezugssystem. In Bereichen jenseits der menschlichen Erfahrung verhalten sie sich völlig anders, als unser Verstand es voraussagen würde.

Gedankenexperiment mit Fliegen
Verrückte Welt: Für besonders schnelle Fliegen vergeht die Zeit langsamer. Quelle: ZDF

Ein Gedankenspiel illustriert das: Von zwei Stubenfliegen fliegt die eine - nennen wir sie Albert - immer schneller, bis sie fast Lichtgeschwindigkeit erreicht. Alberts fauler Bruder Albrecht bleibt währenddessen am Boden und bewegt sich nicht vorwärts. Die Konsequenzen sind überraschend: Während der faule Albrecht ans Ende seiner Lebenszeit gelangt, ist sein Bruder noch quicklebendig. Die Erklärung: Alberts Uhr tickte während seines Flugs langsamer - er hat noch Lebenszeit vor sich.

Ist die Lichtgeschwindigkeit endlich?

Mit solchen Gedankenspielen an den Grenzen der menschlichen Vorstellungskraft beschäftigte sich Albert Einstein schon als junger Forscher. Seit Einstein wissen wir: Die Zeit ist keine starre, absolute Größe, sondern abhängig vom Bezugssystem. Je nach Betrachter kann sie schneller oder langsamer vergehen. Und das ist keine Illusion, sondern beweisbare physikalische Realität. Der Grund dafür liegt in der konstanten Lichtgeschwindigkeit.

Die Frage, ob Licht sich mit endlicher oder unendlicher Geschwindigkeit ausbreitet, interessierte Wissenschaftler bereits im 17. Jahrhundert. Der Däne Ole Romer erkannte 1676, dass sich die Lichtgeschwindigkeit mit erstaunlich einfachen Mitteln messen lässt. Seit Galilei wusste man, dass die Jupitermonde den Planeten so regelmäßig wie ein Uhrwerk umkreisen. Wann zum Beispiel der Mond Io in den Schatten des Jupiters tritt, lässt sich genau berechnen. Da der Jupiter mit seinen Monden ebenso wie die Erde auf einer elliptischen Bahn um die Sonne kreist, ist er mal näher, mal weiter von uns entfernt. Ist die Distanz zwischen Jupiter und Erde am größten, ist die Verfinsterung des Io mit zeitlicher Verzögerung zu beobachten - um genau die Zeit, die das Licht zusätzlich zurücklegen muss.

Absolute Grenze im Universum

Nachweis der Lichtgeschwindigkeit anhand der Jupitermonde (Trick)
Die Distanz, die das Licht des Jupitermondes zurücklegt, schwankt. Quelle: ZDF

Aus dieser Zeit- und Wegdifferenz lässt sich die Geschwindigkeit des Lichts berechnen. Sie beträgt knapp 300 000 Kilometer pro Sekunde, wie wir heute wissen. Was Einstein auch schon wusste: Nichts kann schneller sein als das Licht. Seine Geschwindigkeit ist eine absolute Grenze, die überall im Universum gilt. Das hat erstaunliche Konsequenzen, die Einstein als Erster zu Ende dachte: Wenn sich alles der Lichtgeschwindigkeit beugen muss, gilt unter bestimmten Umständen unsere Alltagserfahrung nicht mehr.

Normalerweise addieren und subtrahieren sich Geschwindigkeiten. Fährt Einstein mit seinem Auto mit 50 Stundenkilometern und ein anderes überholt ihn mit 60 Stundenkilometern, so ist für Einstein das überholende Fahrzeug im Verhältnis zu seinem nur zehn Stundenkilometer schnell. Wird Einstein aber von einem Lichtstrahl überholt, so misst er die Geschwindigkeit des Lichts immer mit knapp 300.000 Kilometer pro Sekunde - selbst wenn er auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Weil Licht immer gleich schnell ist, muss die Zeit in Einsteins Auto langsamer vergehen als für einen ruhenden Beobachter. Nur so ist auch die Formel: Geschwindigkeit ist gleich Raum geteilt durch Zeit richtig.

Kosmische Teilchen liefern den Nachweis

Albert Einstein hat mit seiner Veröffentlichung zur Relativitätstheorie ein völlig neues Weltbild geschaffen - ein stimmiges Modell, in dem die Naturgesetze harmonieren. Es ist eine der größten Gedankenleistungen in der Geschichte der Menschheit. Das Unvorstellbare, das Einstein voraussagte, bestätigte sich später in Experimenten.

Zeitmessung bei Myonen (Trick)
Mit der Messung der Zerfallszeit von Myonen gelang der Nachweis. Quelle: ZDF

So gibt es in der Erdatmosphäre mysteriöse Teilchen, die Myonen, die eine extrem kurze Lebensdauer haben. Sie zerfallen so schnell, dass wir sie auf der Erde eigentlich gar nicht nachweisen dürften. Dennoch können wir genau das tun. Das Geheimnis der Myonen besteht darin, dass sie sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Und das bedeutet: Für sie verläuft die Zeit viel langsamer als für einen ruhenden Beobachter auf der Erde - oder vielmehr für ein ruhendes Myon auf der Erde. Von der Erde aus betrachtet verlängert sich ihre Lebensdauer. Dadurch können sie eine längere Wegstrecke zurücklegen, und wir können die gehimnisvollen Myonen nachweisen.

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