Raumkrümmung

Die Raumkrümmung ist das zentrale Konzept der allgemeinen Relativitätstheorie. Einsteins Feldgleichungen (1915) beschreiben, wie Masse und Energie die Geometrie der Raumzeit verformen und wie diese Verformung wiederum die Bewegung von Materie und Licht beeinflusst. John Archibald Wheeler fasste es prägnant zusammen: Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich krümmen soll, und die Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll.

Die Krümmung wird mathematisch durch den Riemann-Tensor beschrieben, ein Objekt mit 20 unabhängigen Komponenten in vier Dimensionen. In der Nähe der Erde ist die Krümmung gering: Eine Uhr auf dem Dach eines Hochhauses geht pro Tag nur um etwa 10 Nanosekunden schneller als eine Uhr im Erdgeschoss. GPS-Satelliten müssen diese Differenz korrigieren, sonst würden die Positionsangaben pro Tag um rund 10 Kilometer abweichen.

In der Nähe eines Schwarzen Lochs wird die Krümmung extrem. Am Ereignishorizont eines stellaren Schwarzen Lochs (etwa 10 Sonnenmassen) sind die Gezeitenkräfte so stark, dass ein Mensch in die Länge gezogen und zerrissen würde (Spaghettifizierung). Bei supermassereichen Schwarzen Löchern (Millionen bis Milliarden Sonnenmassen) ist die Krümmung am Horizont dagegen sanft genug, um den Übergang zunächst unbeschadet zu überstehen.

Gravitationswellen sind Wellen in der Raumkrümmung selbst. Sie wurden 2015 von LIGO erstmals direkt nachgewiesen, als zwei Schwarze Löcher (36 und 29 Sonnenmassen) verschmolzen und dabei Raumzeit-Vibrationen aussandten, die die Erde um einen Bruchteil eines Protonendurchmessers verzerrten.

In der Science-Fiction ist Raumkrümmung die theoretische Grundlage des Warp-Antriebs. Der mexikanische Physiker Miguel Alcubierre zeigte 1994, dass Einsteins Gleichungen eine Lösung erlauben, bei der die Raumzeit vor einem Schiff zusammengezogen und dahinter ausgedehnt wird, sodass sich das Schiff effektiv schneller als Licht bewegt, ohne lokal die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten.