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Die Raumzeit

Einen Punkt im Raum können wir dadurch bezeichnen, daß wir angeben, wie weit er nach rechts, nach vorn und nach oben von einem gewählten Bezugspunkt entfernt ist. Diese Angaben heißen Koordinaten des Punktes. Man braucht drei Koordinaten, um einen jeden Punkt zu bezeichnen. Der Raum ist dreidimensional. Die Koordinaten eines Punktes hängen natürlich davon ab, welchen Bezugspunkt der Beobachter gewählt hat und welche Richtungen er als rechts, vorn oder oben wählt.

Für physikalische Abläufe ist, wie im täglichen Leben bei Verabredungen, nicht nur der Ort wichtig, an dem ein Ereignis stattfindet, sondern auch die Zeit, zu der es stattfindet. Die Menge aller Ereignisse, die Raumzeit, ist vierdimensional, denn um ein einzelnes Ereignis zu bezeichnen, werden vier Angaben benötigt, der Ort, an dem es stattfindet, und die Zeit, zu der es sich ereignet.

Wer sich bei der Raumzeit einen Stapel von Bildern vorstellt, wie sie zum Beispiel auf Filmrollen gespeichert werden und die eine Abfolge von dreidimensionalen Situationen zeigen, hat die vierdimensionale Raumzeit genauso erfaßt, wie ein Architekt, der von einem dreidimensionalen Gebäude etliche zweidimensionale Baupläne, die Grundrisse der verschiedenen Stockwerke und Quer- und Längsschnitte, zeichnet.

Dem entsprechend stellen wir die zeitliche Abfolge von Ereignissen in zweidimensionalen Raumzeitdiagrammen dar. In ihnen gehört beispielsweise zum physikalischen Vorgang, daß sich zwei Teilchen gleichförmig bewegen und in einem Ereignis zusammenstoßen, einfach die geometrische Figur, daß sich zwei Geraden schneiden. Einer Darstellung, die nur die Orte zeigte, könnte man nicht entnehmen, ob beide Teilchen denselben Ort zu verschiedenen Zeiten durchlaufen und sich verfehlen.

Die physikalischen Befunde fügen die unserer Intuition fremde Erkenntnis hinzu, daß die vierdimensionale Raumzeit ein Ganzes ist, das erst vom Beobachter in Schichten gleicher Zeit zerlegt wird. Daß diese Schichten, anders als Newton meinte, bei gegeneinander bewegten Beobachtern verschieden sind, ist die größte Hürde für das Begreifen relativistischer Physik. Nicht nur die drei Koordinaten des Ortes, sondern auch auch die Zeit, die zusammen ein Ereignis bezeichnen, hängen vom Beobachter ab: es gibt keine meßbare Weltzeit, die unabhängig vom Beobachter jedem Ereignis zukommt.

Um die Vielzahl möglicher Verwicklungen zu vermeiden, untersuchen wir Vorgänge in einem leeren Bereich der Raumzeit, dem Vakuum, von dem alle Teilchen entfernt und alle Einwirkungen von außen, wie elektrische und magnetische Felder, abgeschirmt sind. Es ist die Bühne, auf der wir das Verhalten von Licht und Teilchen studieren, die von Beobachtern gesehen und mit Uhren und Maßstäben gemessen werden.

So einfach der Zustand Vakuum scheint, er ist eine Idealisierung und kann nur ungefähr realisiert werden. So werden wir dauernd von Neutrinos durchströmt, die aus der Sonne kommen und die wir nicht abschirmen können, weil sie nicht genügend gut wechselwirken. Aber weil die Neutrinos alles durchdringen, stören sie auch nicht.

Der von Hintergrundstrahlung erfüllte Weltraum ist kein Vakuum. Diese Strahlung ist von der Frühzeit der Entwicklung des Universums zurückgeblieben und zeichnet ein Ruhsystem aus, durch das sich die Sonne mit einer Geschwindigkeit von etwa $ 370$ bewegt [1]. Diese Hintergrundstrahlung kann man mit Wänden abschirmen, allerdings muß man dann die Wände kühlen, damit nicht die Wärmestrahlung der Wände den Raum füllt.



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