Relativitätstheorie relativ anschaulich
Soll man Allgemeine Relativitätstheorie in der Schule unterrichten? Kann man es überhaupt? Ist diese Theorie nicht viel zu schwierig, mangels Schulexperimenten zu trocken für den Unterricht und dabei noch nutzlos in Alltag und Beruf?
Dem steht entgegen: "Raum" und "Zeit" sind die Kategorien, in denen wir denken. Die Relativitätstheorie hat unser Verständnis dieser Begriffe revolutioniert. Das ist so grundlegend, dass es alle angeht.
Schwarze Löcher, der Urknall und ähnliche Phänomene sind in den Medien ständig präsent und sind Teil unseres naturwissenschaftlichen Weltbildes. Bei Schülerinnen und Schülern stoßen diese Themen auf großes Interesse. Dabei ist die Darstellung in den Medien oft genug äußerst unbefriedigend. An Beiträgen in Internet-Diskussionsforen kann man beispielsweise gut erkennen, dass das Interesse groß ist, dass aber Fehlvorstellungen vorherrschen.
Der Physikunterricht bietet die Chance diese zugegebenermaßen komplizierten Sachverhalte angemessen zu vermitteln. Dazu sind geeignete Materialien nötig, die dem Wissensstand von Schülerinnen und Schülern angepasst sind. Im Gegensatz zur Hochschulausbildung kann dabei nicht eine Einführung in die Differentialgeometrie am Anfang stehen; es werden andere Konzepte gebraucht, die über Schulmathematik nicht hinausgehen und die Zusammenhänge trotzdem korrekt und auch quantitativ richtig vermitteln.
Wir schildern hier eine anschauliche Einführung in Grundbegriffe der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wichtigstes Hilfsmittel ist ein maßstabsgetreues Pappmodell des dreidimensionalen gekrümmten Raums um ein Schwarzes Loch. Damit lassen sich wichtige Begriffe einführen: gekrümmter Raum, Geodäte, Parallelverschiebung, Lichtablenkung, geodätische Präzession. "Experimente am Modell" ersetzen die Experimente an einem realen Schwarzen Loch.
Das Schwarze Loch haben wir als Beispiel gewählt, weil in seiner Nähe die Effekte so groß sind, dass man sie an einem maßstabsgetreuen Modell problemlos nachmessen kann. Dabei beschränken wir uns hier auf den Außenraum und gehen weder auf die Singularität noch auf den Ereignishorizont näher ein.
Dieser Zugang zu Grundbegriffen der Allgemeinen Relativitätstheorie basiert auf geometrischer Anschauung und kommt ohne Mathematik aus. Wir haben ihn mit Schülerinnen und Schülern der 10. bis 13. Klasse sowie mit interessierten Erwachsenen getestet. Für Selbstlerner sind die Bastelbögen, aus denen das Modell gebaut werden kann, zusammen mit einem Begleitbüchlein erhältlich ([ 1]). In dieser Form bieten wir sie einzelnen Schülerinnen und Schülern der 10. Klasse an, die für ein BOGY-Praktikum (Berufsorientierung Gymnasium) an das Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen kommen; typischerweise erarbeiten sie sich das Material selbstständig in etwa einem halben Tag.
Im folgenden beschreiben wir das Modell und machen Vorschläge, wie damit gearbeitet werden kann. Zur Einführung in eine solche Unterrichtseinheit sollten einige Informationen über Schwarze Löcher vorausgeschickt werden, z.B. ihre Entstehung aus massereichen Sternen; ein geeigneter Abschluß können Computersimulationen zur Lichtablenkung an Schwarzen Löchern ([ 2]) sein.
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