Gewöhnlich führt man Messungen einer Bewegung im Bereich der Mechanik in einem Labor durch, also in einem ruhenden Bezugssystem. Die Gesetze, die aufgrund von diesen Messungen gefunden werden können, bezeichnen wir als Newton’sche Gesetze. Die gesamte klassische Mechanik setzt sich aus diesen zusammen.

Messsysteme, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, liefern also alle die Gesetze Newtons und werden als Intertialsysteme bezeichnet. Es gilt also das Relativitätsprinzip der Mechanik: Wenn die Gesetze in einem Bezugssystem S gelten, so gelten sie auch in jedem Bezugssystem S’, das sich gegenüber S (relativ zu S) mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

Besonders wichtig dabei ist, dass sich die Messwerte unterscheiden können, dass aber die Gesetzmäßigkeiten bleiben. Insbesondere ist die Geschwindigkeit eines beobachteten Körpers von unterschiedlichem Betrag, wenn man das Bezugssystem wechselt.

Einstein fragte sich seit seinem 16. Lebensjahr, was man sehen würde, wenn man auf einem Lichtstrahl reiten könnte. Dies motivierte ihn und war der Antrieb für seine bahnbrechende Erforschung des Lichts und seiner Fortbewegung.

Die zu seiner Zeit gängige Vorstellung vom Licht war die einer Lichtwelle, weil man die für Wellen (z.B. Wasserwellen) typischen und charakteristischen Wellenerscheinungen auch beim Licht feststellen konnte. Jede Welle breitet sich aber in einem für sie typischen Medium aus (Wasserwellen in Wasser, Schallwellen in Luft). Daher müsse auch das Licht ein spezielles Medium haben. Man nannte es den Äther. Der Äther erfüllt den gesamten Raum, da sich das Licht auch im gesamten Raum ausbreiten kann. Die ganze Erde ist in diesen Äther eingetaucht. Der Äther ruht und die Erde bewegt sich bei ihrer Drehung um die Sonne durch den Äther und sie dreht sich bei ihrer Selbstdrehung sogar zusätzlich im Äther.

So wie man bei der Fahrt auf einem Fahrrad durch die ruhende Luft einen Fahrtwind spürt, müsste es einen Ätherwind geben, da sich die Erde im Äther bewegt. Und so wie „mit und gegen den Wind" beim Fahren eine Geschwindigkeitsänderung ausmacht, so müsste sich auch das Licht in seinem Fortbewegungsmedium Äther mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten, je nachdem ob es mit dem oder gegen den Ätherwind verläuft. Die Physiker Michelsen und Morley haben dies unter Ausnutzung der erwähnten Bewegung der Erde um die Sonne im angenommenen Äther ausprobiert und festgestellt, dass es keinen Geschwindigkeitsunterschied beim Licht gibt, egal wie das Licht sich bewegt. Demzufolge kann es auch für Licht kein Ausbreitungsmedium geben und daher wurde das Licht von diesem Moment an noch interessanter und für Einstein begann die erfolgreichste Zeit seines Schaffens.

Auf der Grundlage der absoluten Lichtgeschwindigkeit (Licht breitet sich immer und überall, in jedem System, ob ruhend oder bewegt, gleich schnell aus) formte er seine spezielle Relativitätstheorie.

Also ist erscheint die Strecke verkürzt. Kurzum:

Die Zeit vergeht langsamer (Zeitdilatation)

und eine Strecke erscheint kürzer (Längenkontraktion).

Damit werden Raum und Zeit zu relativen Größen, deren Absolutbetrag veränderlich ist, abhängig aus welchem Bezugssystem heraus man diese Größen bestimmt. Bei der Newton’schen Mechanik sind Raum und Zeit absolut und die Geschwindigkeitswerte ändern sich, wenn man das Bezugssystem wechselt. Beim Licht ist es nach Aussage der speziellen Relativitätstheorie anders: Die Geschwindigkeit ist überall gleich und Raum und Zeit sind veränderlich. Diese Idee ist nachvollziehbar revolutionär, auch heute noch. Selbstverständliches muss weichen, damit die Natur angemessen beschrieben werden kann.

In der speziellen Relativitätstheorie zeigte Einstein, dass man die Newton’schen Gesetze nicht ohne weiteres auf alle Bezugssysteme übertragen kann, wenn sie sich sehr schnell (annähernd mit Lichtgeschwindigkeit) bewegen. Raum und Zeit sind variabel. Dieser Bruch mit der klassischen Physik bringt es mit sich, dass auch die Gesetze für Kraft und Beschleunigung neu überdacht bzw. übertragen werden müssen. Dieses Problem zeigte sich für Einstein als weitaus schwieriger als die Probleme, die er bereits gelöst hatte.

Die Forderung Einsteins, die Gesetze so umzuformulieren, dass sie wirklich in allen Inertialsystemen, also auch in sehr schnell bewegten, gelten, gilt vor allem auch für die Gesetze der Anziehungs- oder Gravitationskraft. Einstein suchte nach einer allgemein gültigen Erklärung des Phänomens, dass Körper sich anziehen können, und dies unabhängig vom Beobachtersystem. Das erforderte eine neue Theorie der Gravitation, denn die bisherige Newton’sche Theorie von der Kraft galt nur in ruhenden oder sehr langsam bewegten (fast ruhenden) Beobachtersystemen, in denen Zeit und Raum noch als absolut angesehen werden können.

Um das Phänomen der Gravitation besser zu verstehen, arbeitete Einstein mit Gedankenexperimenten. In seinen Gedanken konnte er nach Belieben die Bezugssysteme wechseln und sich immer wieder neu überlegen, welche Beobachtungen gemacht werden würden, um daraus theoretische Schlüsse abzuleiten. Aus den Erfahrungen mit den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie heraus war klar, dass der Wechsel zwischen den Bezugssystemen die sensible Schnittstelle zwischen den bekannten und noch unbekannten physikalischen Gesetzen darstellt.

Somit sind die beiden Phänomene „schwer-Sein" (eine Gravitation zu spüren) und „träge-Sein" ununterscheidbar. Die beiden Personen können sich nicht einigen, welche Erklärung die richtige ist. Man spricht von der Äquivalenz von träger und schwerer Masse.

Diese beiden Massenhaftigkeiten als Erscheinungsweisen eines massehaften Körpers, können ohne weiteres nicht unterschieden werden. Je nach Bezugssystem scheint nur eine dieser beiden Erscheinungsweisen die richtige zu sein.

Man kann dies auch anders ausdrücken: Für die Person im Zug ist durch kein Experiment feststellbar, ob sie sich in einem bremsenden Zug (à Trägheit) oder in einem Gravitationsfeld (à Schwere) befindet. In der Physik muss man dann die verantwortlichen Größen als gleich ansehen, wenn sie experimentell als ununterscheidbar gelten. Also ist die träge Masse gleich der schweren Masse.

Also kommt man grundsätzlich zu weitgehenden Aussagen über das Phänomen der Gravitation, wenn man beschleunigte Bezugssysteme untersucht. In einem beschleunigten System verhalten sich Körper genauso wie unter Einfluss der Gravitation.

Diese Idee nutzte Einstein wieder bei seinen Gedankenexperimenten. Wenn ein Raumschiff beschleunigt wird und ein Lichtstrahl von der Seite senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schiffes in dieses eindringt, so wird es für den Insassen des Schiffes nicht geradlinig waagerecht zur anderen Raumschiffwand weiterverlaufen, sondern in einem Parabelbogen nach unten weichen und in sehr viel geringerer Höhe als der Höhe des Fensters einen Lichtpunkt auf der gegenüberliegenden Wand erzeugen. Ein außenstehender Beobachter sieht, wie sich das Licht geradlinig ausbreitet, das Schiff sich aber in der Fortbewegungszeit nach oben bewegt.

Da ein beschleunigtes System und ein System in einem Gravitationsfeld als ununterscheidbar gelten, müsste sich also so sogar das Licht durch die Gravitation anziehen und damit aus der geradlinigen Bahn ablenken lassen.

Genau das wurde auch am 29.5.1919 bei einer Sonnenfinsternis von unabhängigen Forschern nachgewiesen. Die Sonnenstrahlen wurden trotz Abdeckung der Sonne durch den Mond gesehen, d.h. sie wurden abgelenkt. Einsteins Ruhm war perfekt. Er wurde über Nacht zu einem Popstar und alle Zeitungen der Welt berichteten, dass seine Theorie, die sich nur auf Gedankenexperiment stützte, endlich experimentell bewiesen werden konnte. Zusätzlich konnte Einstein mit Hilfe seiner Theorie wichtige, bis dahin unerklärte Abweichungen von Himmelsbahnen (vor allem der des Merkurs) erklären und vorhersagen.

Die wesentliche Aussage der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass eine Masse durch ihre Existenz und damit durch ihre gravitative Wirkung den gesamten Raum verändert, so dass alles, was sich in diesem Raum befindet, davon beeinflusst wird. Dadurch werden Maßstäbe verändert. Man spricht von der Raumkrümmung.

Im Rahmen seiner Theorie des Lichts hat Einstein die bekannte Formel E = m c² aufgestellt. Was bedeutet dieses wichtige Gesetz ?

Die Bestandteile Energie E, Masse m und Lichtgeschwindigkeit c sind uns bekannt. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine absolute Konstante, d.h. diese kurze Formel beschreibt den Zusammenhang von Energie und Masse eines Körpers. Ändert man die Masse eines Körpers, so ändert sich auch die Energie und umgekehrt. Aber was ist hier mit Energie gemeint ?

Um das alles etwas besser zu verstehen, betrachten wir einmal mehr ein Gedankenexperiment von Einstein.

Irgendwo im Weltall ruht ein Raumschiff der Masse M schwerelos. Nun wird an der linken Seite des Schiffes nach einem Lichtblitz ein Lichtstrahl horizontal zur gegenüberliegenden (um L entfernten) Raumschiffwand geschossen. Wie wir wissen, ist Licht ein Träger von Energie. Mit jedem Sonnenstrahl trifft eine Energieportion auf unsere Erde, was unser Leben erst ermöglicht. Wir wissen außerdem, dass immer dann, wenn ein Energiebetrag E zur Verfügung steht, physikalische Arbeit verrichtet werden kann. Es gilt die Beziehung E = F × s. Weiterhin gilt mit den bekannten Gesetzen: E = p/t × s = p × s/t = p × c, also hat der Lichtstrahl einen Impuls von p = E/c.

Es gilt der Impulserhaltungssatz. Der Lichtimpuls wirkt nach rechts und demnach muss das Raumschiff einen ausgleichenden Impuls nach links erhalten haben, da vor der Aussendung des Lichtstrahls der Gesamtimpuls gleich Null war. Also stellen wir die Gleichung M × v = -E/c auf, wobei v die nun vorhandene Geschwindigkeit des Raumschiffs ist.

Nach der Flugzeit T = L/c des Strahls bis zur gegenüberliegenden Wand prallt er gegen diese und überträgt seinen Impuls wieder auf das Raumschiff. Insgesamt kommt alles dadurch wieder zur Ruhe. Während der Zeit T hat das Raumschiff aber den Weg s = v × T = - ^{E× L}/_{M× c}² zurückgelegt.

Für diese Verschiebung muss man eine Kraft verantwortlich machen. Das Raumschiff schwebt aber schwerelos und es gibt keine Kraft von außen, so dass man nur zu dem Schluss kommt, dass der Schwerpunkt (auf den sich Kräfte immer auswirken, wenn sie ausgedehnte Objekte bewegen) an seinem Ort geblieben sein muss. Das kann wiederum nur dann der Fall sein, wenn innerhalb des Raumschiffs eine Masse verschoben wurde. Dies kann aber nur durch den Lichtstrahl geschehen sein, so dass man zu der Überzeugung gelangt, dass zusammen mit der Energie auch Masse transportiert wurde.

E = m × c².