Einstein hat Recht - Die Zeit vergeht manchmal langsamer

 Womit beschäftigt sich die Relativitätstheorie?
Albert Einstein [1] hat sich in seiner Speziellen Relativitätstheorie (SRT) [1], die er vor 99 Jahren veröffentlichte, unter anderem mit dem Ablauf der Zeit beschäftigt. Allerdings ist es in der Relativitätstheorie nicht sinnvoll, von der „Zeit“ an sich zu sprechen: vielmehr vergeht die Zeit, je nachdem wie man sich bewegt.

Wie schnell die Zeit für einen Beobachter, beispielsweise einen Menschen oder eine Uhr, vergeht, hängt von seiner Geschwindigkeit ab. Messe ich die Zeit, die für mich persönlich vergeht, mit einer Armbanduhr, vergeht die Zeit immer gleich schnell: das Ticken einer Sekunde dauert immer gleich lang – auch wenn uns das manchmal anders erscheint.

Allerdings ist das Ticken der Uhr „anders“, wenn ich von anderen Menschen – von außenstehenden Beobachtern – beobachtet werde oder ich Uhren von anderen Menschen beobachte. Dabei nennt man die Zeit, die im eigenen „Uhrensystem“, im sog. Ruhesystem [1], vergeht, Eigenzeit [1]. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist das Zwillingsexperiment [1] (Abb. 1).

Abb. 1 Schematische Darstellung der Zeitdehnung bei dem Zwillingsexperiment.
Die Zeit vergeht für jeden der beiden Beobachter (Erde und Raumschiff) aufgrund
der Bewegung relativ zueinander anders. © OpenStax / http://cnx.org

Zeitdehnung und Relativität
Nochmal: äußere Beobachter, d.h. andere Menschen mit Uhren, können im Prinzip einen Unterschied zum Ticken ihrer Uhr relativ zu meiner Uhr feststellen, wenn ich mich relativ zu ihnen bewege bzw. umgekehrt.
Die Zeit vergeht für außenstehende Beobachter - relativ zu mir - langsamer, je schneller ich mich (gegenüber dem ruhenden Beobachter) bewege. Diesen Effekt bezeichnet man als Zeitdilatation [1] oder „Zeitdehnung“.

Sie werden sich fragen, weshalb die Zeitdehnung für uns „Nicht-Astronauten“, die sich im Alltag nicht besonders schnell bewegen, wichtig ist:
beispielsweise arbeitet das GPS (Golbal Positioning System) [1], das die meisten von uns kennen und genutzt haben, nur mithilfe der Korrekturen der Einsteinschen Zeitdilatation korrekt und führt uns zum gewünschten Ziel – und nicht in einen Fluß. Dabei sind die GPS-Satelliten sozusagen „Weltraum-Uhren“. Oder möchten Sie sich bei einer Reise in ein entferntes Land verfahren, weil Sie von Ihrem Navigationssystem (ohne die Korrekturen der Zeitdilatation) „fehlgeleitet“ werden? - lieber nicht ...

Das Zeitdehnungs-Experiment – der optische Dopplereffekt [1]
Den Effekt der Zeitdehnung konnte ein Forscherteam um Benjamin Botermann* mithilfe eines Lithium-Ionen-Experiments an einem deutschen Teilchenbeschleuniger** mit bisher unerreichter Genauigkeit bestätigen [2]: die Zeit vergeht (relativ gesehen) für eine sich bewegende Uhr langsamer als für eine Uhr in Ruhe. Im übertragenen Sinne würde ein Astronaut, der sich mit hoher Geschwindigkeit in einer Rakete von der Erde entfernt, langsamer altern als die auf der Erde zurückgebliebenen Menschen.

Zum Beweis der Einsteinschen Zeitdilatation verglichen die Forscher zwei Uhren, von denen sich eine im Ruhezustand (unbewegt) befand, während sich die andere Uhr schnell bewegte. Als bewegte Uhr dienten Lithium-Ionen [1], die auf 34 Prozent der Lichtgeschwindigkeit [1] beschleunigt wurden. Dabei dienten Vorgänge der Elektronen [1] der Lithium-Ionen als „Ticken“ der bewegten atomaren Uhr. Die ruhende atomare Uhr bestand ebenfalls aus einem Lithium-Ionen-System.

Die von den Forschern gemessene Zeitdehnung war rund fünf Mal genauer als bei den Experimenten der Forschergruppe aus dem Jahr 2007 und etwa
50-100 mal genauer als andere existierende Experimente.

Einsteins Vorhersage für den Wert der dabei entstehenden Zeitdilatation konnte durch das neue Experiment bis auf ein zwei Milliardstel genau bestimmt werden. Einstein hat Recht!

Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

Quellenangaben:

[1] Mehr Information zu astronomischen und physikalischen Begriffen unter
www.wikipedia.de

[2] Botermann, B., et al., Phys. Rev. Lett. 113, 120405 (2014)

* Johannes Gutenberg-Universität, Mainz
Homepage: http://www.uni-mainz.de/

** GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt

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