Raum

Gesamtheit der Orte, wo sich Körper befinden können; physikalisch charakterisiert durch die im Raum wirkenden Kraftfelder und die dadurch bedingte Geometrie (euklidisch, nichteuklid.); Weltraum: gekrümmt, unbegrenzt, aber endlich.

Zeit

Abfolge des Geschehens; erfahrbar als Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Chronologisch werden historische, vorgeschichtliche und geologische Zeiträume voneinander abgegrenzt. In der Natur scheint kein Bezugssystem vorgegeben zu sein, so dass eine physikalische Definition nicht vorhanden ist. Daher wird die Zeit oft nach subjektiven Gesichtspunkten untersucht, so von der Psychologie und der Philosophie. Die SI-Einheit der Zeit ist die Sekunde (s). Die astronomische Zeitmessung beruht auf der Beobachtung der periodischen Achsendrehung der Erde.

Dimension

1)Ausdehnung eines Körpers (z.B. Höhe, Breite oder Tiefe), Ausmaß. 2)Ausdehnungsrichtung: Gerade: eine Dimension (Länge); Fläche: zwei Dimensionen (Länge, Breite); Körper: drei Dimensionen (Länge, Breite, Höhe); in der höheren Geometrie eine vierte und weitere Dimensionen, wichtig für die Relativitätstheorie. 3)Beziehung einer physikalischen Größe zu den Grundgrößen (Länge, Zeit).

Raumzeit

Die Raumzeit ist die Zusammenfassung der drei Raumdimensionen mit der Zeit als vierter Koordinate zu einem vierdimensionalen metrischen Raum (Raum-Zeit-Kontinuum, Raum-Zeit-Welt). Der Begriff der Raum-Zeit ist Ausdruck der engen Verknüpfung von Raum und Zeit in der Relativitätstheorie und ermöglicht dort deren einheitliche Beschreibung. Die geometrische Struktur der Raum-Zeit ist durch eine Metrik und deren metrischen Tensor festgelegt. Dabei liegt der speziellen Relativitätstheorie eine pseudoeuklidische Metrik zugrunde, die die Erweiterung des euklidischen Raumes der klass. Physik um die zeitliche Dimension zum Minkowski-Raum beschreibt (ebene Raum-Zeit). In der allgemeinen Relativitätstheorie hingegen ist die Metrik prinzipiell nichteuklidisch, und der metrische Tensor hängt von den Koordinaten ab. Dies führt zu einer gekrümmten Raum-Zeit (Raumkrümmung), die durch eine vierdimensionale Riemann-Geometrie beschrieben wird und deren Krümmung sich als Ausdruck des Gravitationspotenzials einer Massenverteilung deuten lässt. Ein nur der Gravitation unterliegendes Teilchen bewegt sich danach entlang geodätischen Linien, auf denen der von der Metrik bestimmte raumzeitliche Abstand zweier Punkte in der Raum-Zeit (Weltpunkte) minimal wird. Geodätische Linien sind i.A. gekrümmt, im Minkowski-Raum aber, wie im euklidischen Raum, Geraden; Lichtstrahlen breiten sich immer auf Nullgeodäten aus, die im Minkowski-Raum durch den Lichtkegel dargestellt werden.

Relativitätstheorie 

Die Relativitätstheorie wurde seit 1905 von Albert Einstein formuliert. Sie ist eine physikalische Theorie über die Struktur von Zeit und Raum. In der Relativitätstheorie ist die klassische Physik als Grenzfall (kleine Geschwindigkeiten gegenüber der Lichtgeschwindigkeit) enthalten. Die Entwicklung der Relativitätstheorie ist nicht abgeschlossen, doch sprechen experimentelle Ergebnisse für ihre Gültigkeit. Zusammen mit der Quantenmechanik bildet die Relativitätstheorie die Grundlage der modernen Physik, für die Kosmologie ist sie unentbehrlich geworden.

Spezielle Relativitätstheorie

Die spezielle Relativitätstheorie ist begründet auf dem klassischen Relativitätsprinzip und auf den Erkenntnissen von Michelson, Lorentz und Fitzgerald. Einstein übertrug in der speziellen Relativitätstheorie das mechanische Relativitätsprinzip auch auf nichtmechanische Vorgänge in geradlinig-gleichförmig bewegten Systemen, auf die gesamte Physik. In der speziellen Relativitätstheorie gilt, dass Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig von der Erdbewegung ist (Konstanz). Damit brachte die Relativitätstheorie die Erklärung für eine Reihe widerspruchsvoller Erfahrungen, v.a. auf dem Gebiet der Lichtwellenausbreitung. Raum und Zeit können nicht mehr mit absoluten Größen angegeben werden; sie hängen von der Bewegung des Betrachters ab und sind damit relativ. So ist der Gang einer bewegten Uhr für den ruhenden Betrachter langsamer als für den, der sich mitbewegt. Masse wird als Form der Energie angesehen, wobei Energie eine träge Masse ist. Die Masse wächst mit der Geschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit ist deshalb eine prinzipiell nicht überschreitbare Grenzgeschwindigkeit.

Allgemeine Relativitätstheorie

In der allgemeinen Relativitätstheorie (1915) erweiterte Einstein das Relativitätsprinzip, indem er es – unter Inbetrachtziehung von Gravitationsfeldern – auch auf beschleunigte Bezugssysteme anwandte. Sie handelt von der prinzipiellen Gleichberechtigung aller raum-zeitlichen Koordinatensysteme. Einstein ging davon aus, dass schwere Masse (Materie) und träge Masse (Energie) universell gleich ist. So kann man z.B. in einem abwärts fahrenden Aufzug nicht unterscheiden, ob der Aufzug beschleunigt wird oder sich in freiem Fall befindet, die Bewegung also durch die Gravitation erzeugt wird. Die Beschleunigung durch die Gravitation und die Beschleunigung durch die Trägheitskraft sind demnach gleichwertig (Äquivalenzprinzip). Diese Äquivalenz konnte mit hoher Genauigkeit nachgewiesen werden. Weitere Folgerungen aus dieser Annahme sind die Ablenkung eines Lichtstrahls in einem Gravitationsfeld (z.B. der Sonne) und die Rotverschiebung. Einstein führte die Zeit als vierte Koordinate zum vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum ein. Als gekrümmt ist der Raum unbegrenzt und gleichzeitig endlich zu verstehen (Riemann'sche Geometrie).

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