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Verbogene Lichtstrahlen

Im Gegensatz zum Newtonschen Bild der Gravitation ergibt sich aus der allgemeinen Relativitätstheorie direkt, dass auch Licht von der Gravitation beeinflusst wird. Ebenso wie die Bewegung frei fallender Materie, wird auch die Lichtausbreitung durch Geodäten bestimmt: Licht folgt den geradesten in einer gekrümmten Raumzeit möglichen Raumzeitbahnen.

Beispielsweise werden Lichtstrahlen, die an einem massiven Körper vorbeiführen, zu dieser Masse hin verbogen, und zwar umso stärker, je näher das Licht dem Körper kommt. Das zeigt die folgende Abbildung; gelb eingezeichnet ein massiver Körper, in rot die Bahnen von links kommenden Lichtes:

Lichtablenkung im Schwerefeld der Sonne

Der erste Nachweis der relativistischen Lichtablenkung gelang 1919 britischen Astronomen. Sie nutzen aus, dass sich der Ablenkungseffekt bei astronomischen Beobachtungen zeigt: Wo auf der Himmelskugel wir einen Stern beobachten, ist Ausdruck der Richtung, aus der uns das Licht des Sterns erreicht. Für Licht eines Stern, das nahe des Sonnenrands vorbeistreicht, kommt es zu dem oben abgebildeten Ablenkungseffekt: die Lichtbahn verbiegt sich etwas, entsprechend ändert sich die Richtung, aus der uns das Licht des betreffenden Sterns erreicht, und damit erscheint auch seine Position an der Himmelskugel etwas verschoben. Beobachten ließ sich diese veränderte Position freilich nur während einer Sonnenfinsternis, da das Licht der Sonne einen am Sonnenrand befindlichen Stern ansonsten deutlich überstrahlt. Vergleicht man fotografische Aufnahmen eines solchen Sterns am Sonnenrand mit Fotografien desselben Sterns und derselben Himmelsregion, die aufgenommen wurden, als sich die Sonne an einem ganz anderen Ort der Himmelskugel befand, so lässt sich der Effekt der Lichtablenkung messen. Dass die so gewonnenen - freilich nicht ausnehmend genauen - Beobachtungsdaten Einsteins Vorhersage entsprachen, war ein großer Erfolg der allgemeinen Relativitätstheorie (und zugleich der Beginn von Einsteins weltweiter Berühmtheit).

Eine wichtige Anwendung des Ablenkungseffekts sind so genannte Gravitationslinsen, bei denen die Lichtablenkung durch eine Masse dazu führt, dass Astronomen am Himmel zwei oder mehr Bilder ein und desselben astronomischen Objekts nachweisen können. In der folgenden Abbildung handelt es sich nicht vier in Kreuzform rund um ein Zentrum angeordnete Objekte, sondern um vier Bilder ein und desselben Objekts:

Einsteinkreuz, Aufnahme des HST

[Bild: NASA/ESA/STScI]