Was sind Raum und Zeit?

Raum und Zeit beschreiben Beziehungen zwischen verschiedenen Teilen der Materie. Sie sind keine vorgegebenen Strukturen, in die Materie „hineingesetzt“ wird. Weder Raum noch Zeit existieren unabhängig von Materie. In einem gewissen Sinn sind Raum und Zeit Eigenschaften des Vakuums – und diese Eigenschaften können durch die Anwesenheit von Atomen, Planeten oder Sternen beeinflusst werden.

Von der Erde zum Mond - Raum erschließt sich uns durch Entfernungen © NASA

Woran misst man Raum?

Dass Raum und Zeit nicht ohne Materie existieren, scheint unserer alltäglichen Erfahrung zu widersprechen – aber nur auf den ersten Blick. Intuitiv gibt es „mehr Raum“ zwischen der Erde und dem Mond als zwischen Heidelberg und Mannheim. Aber woher wissen wir das? Wir könnten Laserstrahlen von Spiegeln auf dem Mond reflektieren lassen und ihre Laufzeit zurück zur Erde mit derjenigen zwischen Heidelberg und Mannheim vergleichen. Aus der längeren Laufzeit schließen wir dann auf den größeren Abstand: So wird das für Präzisionsmessungen des Abstands vom Mond tatsächlich gemacht.

Wenn wir uns aber die Erde allein im Universum vorstellen, ohne Mond oder andere Materie, dann macht der Begriff eines Raumes außerhalb der Erde nicht mehr viel Sinn. Dann gibt es keine Möglichkeit mehr, diesen Raum in irgendeiner Weise zu erfahren. Auch Zeitmessungen sind immer nur Verknüpfungen materieller Ereignisse.

Nicht leer: Der Weltraum ist von Feldern erfüllt - hier eine Simulation von Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstehen. Auch diesem Phänomen liegen Einsteins theoretische Überlegungen zugrunde. © NASA/ Henze

Metrik als entscheidende Beschreibungshilfe

Einstein beschreibt in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Eigenschaften von Raum und Zeit durch ein metrisches Feld, kurz durch eine „Metrik“. Metrische Felder sind Größen, die für jede Raum-Zeit-Koordinate einen festen Wert haben. Sie haben überall ihre Feldwerte – nicht nur dort, wo es gerade einen Körper gibt. Es sind wichtige Größen, um den Zustand des Universums oder des Vakuums zu beschreiben.

Das metrische Feld ist dabei konzeptionell nicht unterschieden vom elektrischen Feld oder vom Magnetfeld: Ebenso wie wir ein elektrisches oder magnetisches Feld messen können, können wir auch das metrische Feld, das „Gravitationsfeld“, präzise messen – dies machen wir uns auch für praktische Zwecke wie die Erderkundung oder GPS zunutze.

Christoph Wetterich, Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 07.06.2013