Warum vergeht Zeit im Weltraum schneller?

Dieser Effekt ist eine Vorhersage der Allgemeinen RelativitĂ€tstheorie (ART) von Albert Einstein und in der Physik auch als „gravitative Zeitdilatation“ bekannt. (Diese Form der Zeitdilatation ist ĂŒbrigens von derjenigen in der Speziellen RelativitĂ€tstheorie zu unterscheiden, die mit der Relativbewegung von Bezugssystemen und der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zusammenhĂ€ngt.)

Man könnte die gravitative Zeitdilatation auch als Dehnung der Zeit unter Einwirkung von Gravitationsfeldern bezeichnen. Ein Gravitationsfeld, auch Schwerkraftfeld genannt, herrscht im Raum um eine Masse und ĂŒbertrĂ€gt die Kraftwirkung dieser Masse auf andere Massen. Auch die Schwerkraft, durch die wir festen Stand auf der ErdoberflĂ€che erhalten, ist Konsequenz dieser Anziehungskraft zwischen Massen. Die gravitative Zeitdilatation besagt nun, dass eine Uhr (und somit auch jeder andere Prozess) in einem stĂ€rkeren Gravitationsfeld langsamer lĂ€uft als in einem schwĂ€cheren. Jeder gegenĂŒber dem Gravitationsfeld ruhende Beobachter misst demnach eine lĂ€ngere bzw. kĂŒrzere Ablaufzeit von VorgĂ€ngen, die in identischer Weise im bzw. außerhalb dieses Feldes ausgelöst wurden. Da die StĂ€rke des Gravitationsfelds eines Körpers wie z.B. der Erde, und damit auch deren Kraftwirkung auf andere Objekte, mit zunehmender Entfernung abnimmt, vergeht die Zeit im Weltraum schneller als bei uns. Zahlenbeispiel: Im fernen, nĂ€herungsweise schwerefeldfreien Raum (also quasi ohne Gravitation) vergeht die Zeit um etwa 1,0000000007 mal so schnell wie auf der ErdoberflĂ€che. Je nĂ€her eine Uhr also an die OberflĂ€che eines Himmelskörpers heranrĂŒckt, desto langsamer lĂ€uft sie fĂŒr einen entfernten Beobachter.

Dieser Effekt ist umso ausgeprĂ€gter, je grĂ¶ĂŸer die Masse ist, die das Gravitationsfeld erzeugt. Auch hier noch einmal Zahlenbeispiele aus der Sicht eines praktisch unendlich entfernten ruhenden Beobachters.
Wenn fĂŒr diesen ein Jahr ablĂ€uft, dann vergehen nach seiner Beobachtung auf der Erde 0,02s, auf der Sonne 67s, auf einem Weißen Zwerg ca. 80 Minuten und auf einem Neutronenstern ca. 90 Tage weniger! Extremfall: Am Rand eines Schwarzen Lochs kommt der Lauf der Uhr aus Sicht des in der Ferne ruhenden Beobachters völlig zum Erliegen, weil ihre Geschwindigkeit an die Lichtgeschwindigkeit heranreicht. FĂŒr diesen Beobachter bleibt die Zeit demnach am Rande eines Schwarzen Lochs stehen!

Die Gravitationszeitdilatation ensteht nicht durch irgendeine mechanische Einwirkung auf die Uhren, sondern stellt eine Eigenschaft der Raumzeit selbst dar. Die Raumzeit ist nĂ€mlich nach den GesetzmĂ€ĂŸigkeiten der ART, die durch komplizierte mathematische Gleichungen beschrieben werden, bei Anwesenheit von Massen und den von ihnen erzeugten Schwerefeldern gekrĂŒmmt.
Dies wiederum beeinflusst die Bewegung von Objekten und die Lichtausbreitung (die gerne als „Zeitbasis“ herangezogen wird) in diesen Feldern.
Die gravitative Zeitdilatation enthĂ€lt also gewissermaßen den „Zeitanteil“ der RaumzeitkrĂŒmmung!

Eine weitere Erscheinung, die auf der gravitativen Zeitdilatation beruht, ist die gravitative Rotverschiebung: Das Zeitintervall zwischen Anfang und Ende einer Lichtwelle ist umso lÀnger, je weiter nach oben man sich im Gravitationsfeld bewegt, weil die Zeit zunehmend schneller verstreicht.
Das bedeutet, dass die Welle bei ihrer Bewegung nach oben immer lÀnger gemessen wird und somit dort langwelliger, also rotverschoben erscheint.
Die Zeitdilatation in Gravitationsfeldern ist experimentell schon mehrmals bestĂ€tigt worden, z.B. durch den schnelleren Lauf hochprĂ€ziser Uhren, die mit Flugzeugen oder Raketen in große Höhen gebracht wurden, im Vergleich zu Uhren gleicher Bauart, die auf der ErdoberflĂ€che zurĂŒckgelassen wurden. Die PrĂ€zision heutiger Atomuhren reicht aus, um den Effekt auf der Zugspitze innerhalb weniger Tage nachzuweisen.
Und schließlich wĂŒrden auch GPS-EmpfĂ€nger, die jeweils Funksignale mehrerer Satelliten registrieren, ohne entsprechende Korrekturen zum Ausgleich dieser relativistischen EinflĂŒsse nicht zuverlĂ€ssig  funktionieren.

Prof. Dr. Jochen Heitger

Institut fĂŒr Theoretische Physik

Kategorien: ,