Das Gefüge der Raumzeit ist ein konzeptionelles Modell, das die drei Dimensionen des Raums mit der vierten Dimension der Zeit kombiniert. Nach den besten aktuellen physikalischen Theorien erklärt die Raumzeit die ungewöhnlichen relativistischen Effekte, die sich aus der Bewegung in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit sowie der Bewegung massereicher Objekte im Universum ergeben.
Wer hat die Raumzeit entdeckt?
Der berühmte Physiker Albert Einstein half bei der Entwicklung der Idee der Raumzeit als Teil seiner Relativitätstheorie. Vor seiner Pionierarbeit hatten Wissenschaftler zwei getrennte Theorien, um physikalische Phänomene zu erklären: Isaac Newtons physikalische Gesetze beschrieben die Bewegung massereicher Objekte, während James Clerk Maxwells elektromagnetische Modelle laut NASA die Eigenschaften von Licht erklärten.
Experimente, die Ende des 19. Jahrhunderts durchgeführt wurden, deuteten jedoch darauf hin, dass Licht etwas Besonderes ist. Messungen zeigten, dass sich das Licht immer mit der gleichen Geschwindigkeit bewegte, egal was passierte. Und 1898 spekulierte der französische Physiker und Mathematiker Henri Poincaré, dass die Lichtgeschwindigkeit eine unübertreffliche Grenze sein könnte. Etwa zur gleichen Zeit erwogen andere Forscher die Möglichkeit, dass sich Objekte je nach Geschwindigkeit in Größe und Masse ändern.
Einstein hat all diese Ideen in seiner speziellen Relativitätstheorie von 1905 zusammengefasst, die postulierte, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante sei. Damit dies wahr war, mussten Raum und Zeit in einem einzigen Rahmen kombiniert werden, der sich zusammenschloss, um die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter gleich zu halten.
Eine Person in einer superschnellen Rakete misst die Zeit, um sich langsamer zu bewegen, und die Länge der Objekte, die kürzer sind als eine Person, die mit einer viel langsameren Geschwindigkeit fährt. Das liegt daran, dass Raum und Zeit relativ sind - sie hängen von der Geschwindigkeit eines Beobachters ab. Die Lichtgeschwindigkeit ist jedoch grundlegender als beide.
Die Schlussfolgerung, dass Raumzeit ein einziger Stoff ist, gelangte Einstein nicht allein. Diese Idee kam vom deutschen Mathematiker Hermann Minkowski, der in einem Kolloquium von 1908 sagte: "Von nun an sind Raum für sich und Zeit für sich dazu verdammt, in bloße Schatten zu verschwinden, und nur eine Art Vereinigung der beiden wird eine unabhängige Realität bewahren." . "
Die von ihm beschriebene Raumzeit ist immer noch als Minkowski-Raumzeit bekannt und dient als Hintergrund für Berechnungen sowohl in der Relativitätstheorie als auch in der Quantenfeldtheorie. Letzteres beschreibt die Dynamik subatomarer Teilchen als Felder, so der Astrophysiker und Wissenschaftsjournalist Ethan Siegel.
Wie Raumzeit funktioniert
Wenn Menschen heutzutage über Raum-Zeit sprechen, beschreiben sie dies oft als eine Art Gummiplatte. Auch dies kommt von Einstein, der bei der Entwicklung seiner allgemeinen Relativitätstheorie erkannte, dass die Schwerkraft auf Kurven im Raum-Zeit-Gefüge zurückzuführen ist.
Massive Objekte - wie die Erde, die Sonne oder Sie - erzeugen Raum-Zeit-Verzerrungen, die dazu führen, dass sie sich verbiegen. Diese Kurven verengen wiederum die Art und Weise, in der sich alles im Universum bewegt, da Objekte Pfaden entlang dieser verzogenen Krümmung folgen müssen. Bewegung aufgrund der Schwerkraft ist tatsächlich Bewegung entlang der Drehungen und Wendungen der Raumzeit.
Eine NASA-Mission namens Gravity Probe B (GP-B) hat 2011 die Form des Raum-Zeit-Wirbels um die Erde gemessen und festgestellt, dass sie eng mit Einsteins Vorhersagen übereinstimmt.
Aber vieles davon bleibt für die meisten Menschen schwierig, ihre Köpfe herumzuwickeln. Obwohl wir Raum-Zeit als ähnlich wie eine Gummiplatte diskutieren können, bricht die Analogie schließlich zusammen. Eine Gummiplatte ist zweidimensional, während die Raumzeit vierdimensional ist. Es sind nicht nur Verzerrungen im Raum, die das Blatt darstellt, sondern auch Verzerrungen in der Zeit. Die komplexen Gleichungen, mit denen all dies erklärt wird, sind selbst für Physiker schwierig zu handhaben.
"Einstein hat eine schöne Maschine gebaut, aber er hat uns nicht gerade ein Benutzerhandbuch hinterlassen", schrieb der Astrophysiker Paul Sutter für die Schwesterseite von Live Science, Space.com. "Nur um den Punkt nach Hause zu bringen, ist die allgemeine Relativitätstheorie so komplex, dass jemand, der eine Lösung für die Gleichungen entdeckt, die nach ihm benannte Lösung erhält und selbst halb-legendär wird."
Was Wissenschaftler noch nicht wissen
Trotz ihrer Komplexität bleibt die Relativitätstheorie der beste Weg, um die uns bekannten physikalischen Phänomene zu erklären. Wissenschaftler wissen jedoch, dass ihre Modelle unvollständig sind, da die Relativitätstheorie noch nicht vollständig mit der Quantenmechanik in Einklang gebracht wird, was die Eigenschaften subatomarer Teilchen mit äußerster Präzision erklärt, aber die Schwerkraft nicht berücksichtigt.
Die Quantenmechanik beruht auf der Tatsache, dass die winzigen Teile des Universums diskret oder quantisiert sind. Photonen, die Teilchen, aus denen Licht besteht, sind also wie kleine Lichtblöcke, die in unterschiedlichen Paketen vorliegen.
Einige Theoretiker haben spekuliert, dass vielleicht auch die Raumzeit selbst in diesen quantisierten Stücken vorkommt, was dazu beiträgt, Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu überbrücken. Forscher der Europäischen Weltraumorganisation haben die Mission Gammastrahlenastronomie Internationales Labor für Quantenerkundung der Raum-Zeit (GrailQuest) vorgeschlagen, die um unseren Planeten fliegen und hochgenaue Messungen entfernter, mächtiger Explosionen, sogenannte Gammastrahlen-Bursts, durchführen soll könnte die Nähe der Raumzeit offenbaren.
Eine solche Mission würde mindestens anderthalb Jahrzehnte lang nicht starten, aber wenn dies der Fall wäre, würde sie möglicherweise dazu beitragen, einige der größten in der Physik verbleibenden Rätsel zu lösen.
