Beck Wissen - Materie - Von der Urmateria zum Leben

während des freien Falls im Gravitationsfeld der Erde Schwerelosigkeit registrieren. {26}
    Tatsächlich liegen homogene Gravitationsfelder in der Natur nur lokal in sehr kleinen Raum-Zeit-Abschnitten vor, während global Gravitationsfelder an verschiedenen Orten in der Gravitationsstärke variieren. Man spricht dann von Inhomogenität. Nur lokal läßt sich also auch die Abwesenheitvon Gravitation im Sinn des Äquivalenzprinzips und damit der Zustand der Speziellen Relativitätstheorie annähernd realisieren. Nur lokal bei Abwesenheit von Gravitation können sich freie Punktteilchen mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig bewegen. In inhomogenen Gravitationsfeldern treten ortsabhängige Relativbeschleunigungen der Körper und Krümmungen ihrer Bahnen auf. Diesem Tatbestand entspricht Einsteins Allgemeines Relativitätsprinzip der Gleichberechtigung aller (nicht nur der gleichförmig geradlinig bewegten) Bezugssysteme und der Kovarianz (d.h. Unveränderlichkeit der Form) von Bewegungsgleichungen bei Transformationen zwischen diesen allgemeinen Bezugssystemen. Wenn allerdings keine Gravitation vorliegt, dann soll die Bewegungsgleichung in ein Gesetz der Speziellen Relativitätstheorie übergehen. {27}
    Was folgt daraus für das Newtonsche Gravitationsgesetz? Nach Newton ist eine Masse die Quelle eines Gravitationsfeldes. Umgekehrt wirkt nach Newton das Gravitationsfeld wiederum nur auf Massen. Nach Einstein ist aber Masse nur eine spezielle Form von Energie und Masse. Ferner werden nach Einstein alle materiellen Vorgänge von Gravitation beeinflußt. Konsequenterweise müssen in einer relativistischen Gravitationstheorie nicht nur Massen, sondern alle Formen der Materie als Energie gravitierend wirken. Licht wird also nicht nur durch Gravitation beeinflußt, sondern wirkt auch als Quelle der Gravitation und damit der Krümmung der Raum-Zeit. Die Einsteinsche Feldgleichung der Gravitation stellt eine allgemein-relativistische Verallgemeinerung der Newtonschen Gleichung dar. Einsteins Krümmungstensor übernimmt darin die Rolle des Gravitationspotentials, während sein Energie- Impuls-Tensor die Verteilung von Massendichte, Energiedichte, Spannungen u.a. beschreibt. Die Einsteinsche Feldgleichung der Gravitation erfüllt die Forderung des Allgemeinen Relativitätsprinzips, d.h. sie ist unveränderlich bei Transformationen allgemeiner Bezugssysteme und geht bei Verschwinden von Krümmung und Gravitation in eine Bewegungsgleichung der Speziellen Relativitätstheorie über.
    Die Einsteinsche Gravitationstheorie enthält als Grenzfall die Theorie Newtons, wenn die Energiedichte allein Quelle der Gravitation ist, diese Quelle nur Geschwindigkeiten, die gegenüber der Lichtgeschwindigkeit klein sind, aufweist und die erzeugten Gravitationsfelder schwach sind. Als relativistische Theorie läßt Einsteins Gravitationstheorie Signalausbreitung nur mit maximal Lichtgeschwindigkeit zu. Insbesondere können sich danach Änderungen im Gravitationsfeld nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Einsteins Theorie sagt daher Gravitationswellen voraus. Als Konsequenz seiner Gravitationsgleichung wurden bisher u.a. die Lichtablenkung und Laufzeitverzögerung in starken Gravitationsfeldern, ferner die Periheldrehung des Merkur empirisch bestätigt.
     
     
3. Materie in der relativistischen Kosmologie
     
    1929 entdeckte Hubble, daß die Geschwindigkeit der Fluchtbewegung der Galaxien mit dem Abstand zwischen einem Galaxienhaufen und seinem Beobachter wächst. So deutete er nämlich die Beobachtung, daß das Licht sehr weit entfernter Galaxien sich zum roten Bereich des Spektrums, also zu größeren Wellenlängen verschiebt. Grundlage dieser Erklärung ist der Doppler-Effekt, wonach die Wellenlängen des von einer bewegten Lichtquelle ausgesandten Lichts einem ruhenden Beobachter größer erscheinen, wenn sich die Lichtquelle entfernt, und kleiner, wenn sie sich nähert. Aus der Rotverschiebung konnte Hubble die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien und damit die Gesamtgeschwindigkeit berechnen, mit der sich das Universum ausdehnt. {28}
    Um die Expansion des Universums aus Einsteins (ursprünglicher) Gravitationsgleichung ableiten zu können, muß eine Art verallgemeinertes Kopernikanisches Prinzip angenommen werden. Nach dem Kosmologischen Prinzip ist zu keinem Zeitpunkt im Universum ein Punkt oder eine Richtung ausgezeichnet, d.h. zu jedem Zeitpunkt ist der 3-dimensionale Raum homogen und isotrop. Homogenität bedeutet dabei nur, daß bei