Das Tao der Physik

Einstein wird die Krümmung des Raumes
durch Gravitationsfelder von Massenkörpern verursacht. Der
Raum ist um Massenkörper herum gekrümmt, und das Ausmaß
der Krümmung, also auch der Abweichung von der Euklidischen Geometrie, hängt von der Masse des Körpers ab.
    Die Gleichungen, die die Krümmung des Raumes zur Verteilung der Masse im Raum in Beziehung setzen, heißen die »Einsteinschen Feldgleichungen«. Sie können nicht nur zur Bestimmung der örtlichen Schwankungen der Krümmungen in
der Nahe von Sternen und Planeten angewendet werden, sondern man kann mit ihnen auch feststellen, ob es eine Gesamtkrümmung des Raums in großem Maßstab gibt. Mit anderen
Worten, die Einsteinschen Gleichungen dienen zur Bestimmung der Struktur des Universums als ganzes. Leider geben sie
keine eindeutige Antwort. Es sind verschiedene mathematische Lösungen der Gleichungen möglich, und diese Lösungen
ergeben die verschiedenen Modelle des Universums, mit dem
sich die Kosmologie befaßt. (Einige davon werden im nächsten
Kapitel besprochen.) Die Hauptaufgabe der gegenwärtigen
Kosmologie ist die Feststellung der Lösung, die der tatsächlichen Struktur unseres Universums entspricht.
    Da der Raum in der Relativitätstheorie nie von der Zeit zu
trennen ist, kann die von der Schwerkraft verursachte Krümmung nicht auf den dreidimensionalen Raum begrenzt sein,
sondern muß auf die vierdimensionale Raum-Zeit erweitert
werden. Genau das sagt die allgemeine Relativitätstheorie voraus. In einer gekrümmten Raum-Zeit beeinflussen die von der
Krümmung hervorgerufenen Verzerrungen nicht nur die räumlichen, von der Geometrie beschriebenen Zusammenhänge,
sondern auch die Länge der Zeitintervalle. Die Zeit fließt nicht
mit konstanter Geschwindigkeit, wie in der »ebenen RaumZeit«, und der Fluß der Zeit ist unterschiedlich, so wie die
Krümmung des Raumes entsprechend der Verteilung der Massenkörper von Ort zu Ort verschieden ist. Wir müssen uns jedoch klarmachen, daß diese Veränderung des Zeitflusses nur
von einem Beobachter gesehen werden kann, der nicht an dem
Ort steht, wo die Uhren für die Zeitmessung angebracht sind.
Wenn der Beobachter zum Beispiel an einen Ort ginge, wo die
Zeit langsamer fließt, so würden auch alle Uhren langsamer
laufen, und man hätte keine Möglichkeit, den Effekt zu messen.
    In unserer irdischen Umgebung ist die Wirkung der Schwerkraft auf Raum und Zeit so klein, daß sie vernachlässigt werden
kann, aber in der Astrophysik, die es mit massiven Körpern wie
Planeten, Sternen und Galaxien zu tun hat, ist die Krümmung
der Raum-Zeit ein wichtiges Phänomen. Bisher haben alle Beobachtungen Einsteins Theorie bestätigt und uns damit gezwungen zu glauben, daß die Raum-Zeit wirklich gekrümmt ist.
Ihre extremste Wirkung zeigt sich beim Gravitations-Kollaps
eines
massiven Sterns. Nach geläufigen Vorstellungen der
Astrophysik erreicht jeder Stern in seiner Entwicklung ein Stadium, wo er aufgrund der gegenseitigen Massenanziehung seiner Teilchen zusammenfällt. Da diese Anziehungskraft schnell
anwächst, wenn der Abstand zwischen den Teilchen abnimmt,
beschleunigt sich der Kollaps, und wenn der Stern genug Masse
hat, d. h. mehr als das Zweifache der Masse der Sonne, dann
kann kein Prozeß, von dem wir wissen, das weitere Zusammenstürzen verhindern.
    Wenn der Stern zusammenfällt und sich immer mehr verdichtet, wird die Schwerkraft auf seiner Oberfläche immer
stärker, und folglich krümmt sich die Raum-Zeit um ihn herum
immer mehr. Wegen der zunehmenden Schwerkraft auf der
Sternoberfläche wird es immer schwerer, von ihm fortzukommen, und schließlich erreicht der Stern ein Stadium, wo nichts,
nicht einmal das Licht, von seiner Oberfläche fortkommen
kann. In diesem Stadiumbildet sich ein sogenannter »Ereignishorizont« um den Stern, da er kein Signal zur übrigen Welt
mehr entlassen kann. Der Raum ist um den Stern dann so stark
gekrümmt, daß alles Licht festgehalten wird und nicht mehr
entkommen kann. Einen solchen Stern können wir nicht sehen,
weil sein Licht uns nicht erreichen kann, und daher nennen wir
ihn ein schwarzes Loch. Die Existenz von schwarzen Löchern
wurde schon 1916 aufgrund der Relativitätstheorie vorausgesagt. In neuester Zeit hat sie viel Aufmerksamkeit erregt, weil
einige kürzlich entdeckte Stern-Phänomene die Existenz eines
schweren Sternes andeuten, der sich um einen unsichtbaren
Partner bewegt, der ein schwarzes Loch sein könnte.
    Schwarze Löcher gehören zu den