Die Raumzeitwerkstatt — Relativitätstheorie relativ anschaulich — Forschung, Lehre, Schülerlabor

Fortbildung: Konzept

Auch wenn die Relativitätstheorie wenig Raum in den Kerncurricula für die Schule einnimmt, halten wir eine Einbeziehung ihrer Grundlagen in den Schulunterricht trotzdem für wichtig:

• Es geht um die grundlegenden Konzepte unseres Alltags: Raum und Zeit.
• Die Relativitätstheorie mit ihren Anwendungen ist sehr präsent in den Medien: Einstein, Schwarze Löcher, LHC, Science Fiction, ...
• Fehlvorstellungen sind weit verbreitet (gerade in den Medien).
• Untersuchungen zeigen, dass Astronomie eines der wenigen Teilgebiete der Physik ist, die auch Mädchen ansprechen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie gilt als schwierig und dem Schulunterricht nicht zugänglich. Wenn man an den mathematischen Hintergrund denkt, der im Hochschulstudium zu diesem Thema vermittelt wird, stimmt das sicher. Die Grundidee der Allgemeinen Relativitätstheorie kann jedoch recht einfach zusammengefasst werden:

Matter tells space how to curve.
Space tells matter how to move.
(John Wheeler)

Die Materie krümmt den Raum (genauer die Raumzeit) und die gekrümmte Raumzeit bestimmt die Bewegung der Materie.

Daraus ergeben sich direkt drei Fragen:

1. Was ist denn eigentlich ein gekrümmter Raum? Eine gekrümmte Fläche kann man sich noch ganz gut vorstellen, aber einen gekrümmten Raum? Mathematisch wird dies durch den Riemanntensor beschrieben.
2. Wie genau bewegt sich ein Körper unter dem Einfluss der Gravitation? Um dies zu berechnen müssen die Geodätengleichungen, vier gekoppelte Differentialgleichungen zweiter Ordnung, gelöst werden.
3. Wie hängen die Materieverteilung und die Raumzeitkrümmung zusammen? Dies wird durch die Einsteinschen Feldgleichungen ausgedrückt (10 nichtlineare, gekoppelte, partielle Differentialgleichungen).

Die mathematische Behandlung dieser drei "einfachen" Fragen überschreitet bei Weitem die Möglichkeiten der Schulmathematik. Hier etwas Schultaugliches herauszuziehen, das über die üblichen Analogien hinausgeht, erscheint auf den ersten Blick aussichtslos.

Andererseits ist die Allgemeine Relativitätstheorie eine geometrische Theorie und damit der geometrischen Anschauung zugänglich. Wir haben für unsere Workshops neues Unterrichtsmaterial entwickelt, das den geometrischen Aspekt in den Mittelpunkt stellt und fast ohne Mathematik auskommt. Stattdessen setzen wir auf geometrische Anschauung und das Selbstkonstruieren und Basteln von Modellen.

Einen Einstieg in das Thema geben das Heft "Wir basteln ein Schwarzes Loch" (mit Bastelbögen) und der Beitrag Wir basteln ein Schwarzes Loch - Unterrichtsmaterialien zur Allgemeinen Relativitätstheorie auf unserer Webseite Tempolimit Lichtgeschwindigkeit.

Das Ziel unserer Fortbildungskurse ist es, Ihnen ein fundiertes Grundwissen zur Allgemeinen Relativitätstheorie zu vermitteln, das es Ihnen erlaubt, die oben genannten drei "einfachen" Fragen zu beantworten. Ohne irreführende Analogien, quantitativ korrekt und ausschließlich mit Mitteln, die Ihnen in der Schule zur Verfügung stehen!