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Einsteins Gedankenexperiment

Ein Fahrstuhl im Weltraum

Den Anstoß für Einsteins berühmte Theorie gibt 1907 ein simples Gedankenexperiment. „Ich saß im Berner Patentamt, als mir plötzlich der Gedanke kam: Wenn sich Mensch im freien Fall befindet, wird er seine eigene Schwere nicht empfinden können.“ Das klingt erstmal kryptisch, Einstein malt sich dies aber an einem sehr alltäglichen, konkreten Beispiel aus:

Ein Ball fällt im beschleunigten Fahrstuhl genauso auf den Boden wie in einem Fahrstuhl unter Einfluss der Schwerkraft. © Markus Pössel/ CC-by-sa 3.0

Wenn ein Fahrstuhl abstürzt und im freien Fall nach unten rast, fühlt sich ein darin stehender Mensch für einen kurzen Augenblick schwerelos. Allein von seinem Gefühl ausgehend könnte er nicht unterscheiden, ob er fällt oder in der echten Schwerelosigkeit des Weltraums schwebt. Umgekehrt spüren wir im stehenden Fahrstuhl die normale Schwerkraft der Erde: Unsere Fußsohlen werden auf den Boden gedrückt, ein fallengelassener Gegenstand fällt nach unten.

Beschleunigung oder Schwerkraft?

Das gleiche aber würden wir auch empfinden, wenn unser Fahrstuhl in der Schwerelosigkeit des Weltraums wäre, aber mit hoher Geschwindigkeit nach oben rasen würde. Der imaginäre Fahrstuhl-Fahrer kann nicht unterscheiden, ob er unter dem Einfluss der Gravitation steht oder aber dem einer Beschleunigung, so Einsteins Überlegung. In beiden Fällen spürt er nur eine Kraft, die in Richtung Boden wirkt.

Für den Physiker folgert daraus, dass die Wirkung von Schwerkraft und Beschleunigung gleich sind – sie sind äquivalent und daher womöglich Manifestationen des gleichen Phänomens. „Dieser einfache Gedanke beeindruckte mich nachhaltig“, schreibt Einstein kurz darauf nieder. „Die Begeisterung, die ich da empfand, trieb mich zur Gravitationstheorie.“ Was an diesem sogenannten Äquivalenzprinzip so begeisternd war, erschließt sich nicht unbedingt auf den ersten Blick.

Albert Einstein an seinem Schreibtisch im Patentamt. Wahrscheinlich zeigt dieses Foto ihn im Jahr 1904 oder 1905. © Lucien Chavan/ historisch

Der gekrümmte Lichtstrahl

Doch Einstein denkt sein Gedankenexperiment weiter: Was wäre, wenn man einen Lichtstrahl durch ein kleines Loch in einer Fahrstuhlwände schickt? Rast der Fahrstuhl dabei rasend schnell aufwärts, dann würde der Strahl die gegenüberliegende Wand nicht genau auf gleicher Höhe wie das Loch treffen. Denn die Wand samt Fahrstuhl hat sich bis dahin weiterbewegt. Der Lichtstrahl trifft dadurch etwas tiefer auf.

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Würde man nun die Bahn des Strahls von einer Fahrstuhlwand zu anderen aufzeichnen, erschiene sie gebogen. Eine Beschleunigung krümmt demnach das Licht – und genau das liefert Einstein die entscheidende Idee. Denn wenn nach dem Äquivalenzprinzip Beschleunigung und Gravitation auf gleiche Weise wirken, dann muss auch die Gravitation das Licht krümmen können. Und das wiederum macht aus der Gravitation etwas völlig anderes als eine bloße Kraft. Aber was?

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Nadja Podbregar
Stand: 20.11.2015

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Die Neuerfindung der Gravitation
Albert Einstein und die Allgemeine Relativitätstheorie

"Unmögliche" Fernwirkung
Das Problem mit der Gravitation

Ein Fahrstuhl im Weltraum
Einsteins Gedankenexperiment

Gravitation als Geometrie
Einstein erfindet die Krümmung der Raumzeit

Gebogenes Licht und gedehnte Zeit
Gravitation wirkt auf mehr als nur Massen

Zahlenspiele
Einsteins Kampf mit den Feldgleichungen

Der erste Beweis
Eine Sonnenfinsternis und verschobene Sterne

Und heute?
Warum Einsteins Theorie so aktuell und relevant ist

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