Wie erklärt die Relativitätstheorie statische Gravitationskraft?

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Wie erklärt die Relativitätstheorie statische Gravitationskraft?

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Verwandte Fragen

Wie ändert sich die Herzfrequenz einer Person bei einem Flug mit 0,95-facher Lichtgeschwindigkeit aufgrund relativistischer Effekte?

Welche Vitalparameter treten bei einem Flug mit 0,95-facher Lichtgeschwindigkeit auf?

Würde man bei schneller-als-Licht-Reisen in der Zeit zurückreisen?

Wie kam Einstein auf die Idee der Raumzeitkrümmung?

Wie wurde die Raumzeitkrümmung entdeckt und nachgewiesen?

Kann man mit Tachyonen in die Vergangenheit reisen?

Ist das Zwillingsparadoxon nach Rückkehr mit dem Leben im Raumschiff vereinbar?

Wie verändert sich die Herzfrequenz von 75 Schlägen pro Minute auf der Erde im Zwillingsparadoxon bei einer Geschwindigkeit von 0,75c im Raumschiff?

Ist ein Astronaut beim Zwillingsparadoxon bei c=0,95 wegen der Herzfrequenzreduktion nicht lebensfähig?

Wie verändert sich die Herzfrequenz von Astronauten bei einer Geschwindigkeit von c=0,95?

Accepted Answer

Die Allgemeine Relativitätstheorie, die von Albert Einstein entwickelt wurde, erklärt die Gravitation nicht als eine statische Kraft, wie es in der klassischen Newtonschen Mechanik der Fall ist, sondern als eine Krümmung der Raumzeit. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Anwesenheit von Masse und Energie die Geometrie der Raumzeit verändern. Diese Krümmung der Raumzeit beeinflusst dann die Bewegung von Objekten. Ein massives Objekt wie die Erde krümmt die Raumzeit in ihrer Umgebung, und diese Krümmung führt dazu, dass andere Objekte, wie z.B. der Mond oder Satelliten, Bahnen folgen, die wir als gravitative Anziehung interpretieren. Ein oft verwendetes Bild zur Veranschaulichung ist ein gespanntes Gummituch, auf das eine schwere Kugel gelegt wird. Die Kugel erzeugt eine Delle im Tuch, und wenn kleinere Kugeln auf das Tuch gelegt werden, rollen sie in Richtung der Delle, ähnlich wie Objekte in der Raumzeit in Richtung eines massiven Objekts "fallen". Diese Erklärung ersetzt das Konzept der statischen Gravitationskraft durch das Konzept der Geodäten, den kürzesten Wegen in einer gekrümmten Raumzeit, denen Objekte folgen.

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Die Herfrequenz einer Person, die sich mit 0,95 c (also 95 % der Lichtgeschwindigkeit) bewegt, wird aus Sicht eines ruhenden Beobachters durch die Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheori... [mehr]

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Die Herfrequenz einer Person, die sich mit 0,95 c (also 95 % der Lichtgeschwindigkeit) bewegt, wird aus Sicht eines ruhenden Beobachters durch die Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie beeinflusst. **Berechnung:** Die Zeitdilatation wird mit dem Lorentz-Faktor γ berechnet: \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \] Für \( v = 0{,}95c \): \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - (0{,}95)^2}} = \frac{1}{\sqrt{1 - 0{,}9025}} = \frac{1}{\sqrt{0{,}0975}} \approx \frac{1}{0{,}3122} \approx 3{,}20 \] Das bedeutet: Aus Sicht eines ruhenden Beobachters vergeht die Zeit für die Person im Raumschiff um den Faktor 3,2 langsamer. **Herzfrequenz:** Angenommen, die normale Herzfrequenz der Person im eigenen Ruhesystem beträgt 70 Schläge pro Minute. Für den ruhenden Beobachter gilt: \[ f_{beobachtet} = \frac{f_{eigentlich}}{\gamma} \] \[ f_{beobachtet} = \frac{70}{3{,}2} \approx 21{,}9 \] **Antwort:** Die Herzfrequenz der Person erscheint für einen ruhenden Beobachter auf etwa **22 Schläge pro Minute** verlangsamt, wenn sie mit 0,95 c reist.

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Bei einem Flug mit einer Geschwindigkeit von \( c = 0{,}95 \) (also 95 % der Lichtgeschwindigkeit) treten relativistische Effekte auf, die sich auf die Vitalparameter eines Menschen auswirken kön... [mehr]

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Bei einem Flug mit einer Geschwindigkeit von \( c = 0{,}95 \) (also 95 % der Lichtgeschwindigkeit) treten relativistische Effekte auf, die sich auf die Vitalparameter eines Menschen auswirken können – allerdings nicht im Sinne einer physiologischen Veränderung, sondern durch die Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie. **Wichtige Punkte:** 1. **Zeitdilatation:** Für einen Beobachter außerhalb des Raumschiffs vergeht die Zeit für die Reisenden langsamer. Das bedeutet, dass alle biologischen Prozesse (Herzschlag, Atmung, Stoffwechsel usw.) aus Sicht eines außenstehenden Beobachters verlangsamt ablaufen. 2. **Eigenzeit:** Für die Person im Raumschiff selbst bleibt alles normal. Die Vitalparameter wie Puls, Blutdruck, Atemfrequenz usw. bleiben im normalen Bereich, wie sie es auch auf der Erde wären. Die Person merkt keinen Unterschied. 3. **Beispielrechnung:** Der Zeitdilatationsfaktor (Lorentz-Faktor) bei \( v = 0{,}95c \) ist: \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - (v/c)^2}} = \frac{1}{\sqrt{1 - 0{,}95^2}} \approx 3,20 \] Das heißt: Für jeden Tag, den die Person im Raumschiff erlebt, vergehen außerhalb etwa 3,2 Tage. 4. **Physiologische Auswirkungen:** Die Vitalparameter (z. B. Herzfrequenz, Blutdruck) ändern sich nicht durch die Geschwindigkeit an sich, solange die Person keinen Beschleunigungskräften ausgesetzt ist und die Lebensbedingungen (Druck, Sauerstoff, Temperatur) im Raumschiff stabil sind. **Fazit:** Die Vitalparameter eines Menschen bei einem Flug mit \( 0{,}95c \) bleiben aus Sicht der Person selbst unverändert. Für einen außenstehenden Beobachter laufen alle Prozesse (einschließlich der Vitalparameter) um den Faktor 3,2 langsamer ab. Es gibt keine physiologischen Veränderungen allein durch die Geschwindigkeit, sondern nur relativistische Effekte in der Zeitwahrnehmung. Weitere Infos zur Zeitdilatation findest du z. B. bei [Wikipedia – Zeitdilatation](https://de.wikipedia.org/wiki/Zeitdilatation).

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Nach den aktuellen Erkenntnissen der Physik, insbesondere der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein, ist es für Objekte mit Masse unmöglich, sich schneller als das Licht zu... [mehr]

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Nach den aktuellen Erkenntnissen der Physik, insbesondere der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein, ist es für Objekte mit Masse unmöglich, sich schneller als das Licht zu bewegen. Die Lichtgeschwindigkeit (ca. 299.792.458 m/s) ist eine fundamentale Grenze im Universum. Würdest du dich – rein hypothetisch – schneller als das Licht bewegen, treten paradoxe Effekte auf. Eine der bekanntesten Konsequenzen ist das sogenannte Kausalitätsparadoxon: Ereignisse könnten in umgekehrter Reihenfolge erscheinen, was so interpretiert werden kann, als würdest du dich rückwärts in der Zeit bewegen. Das bedeutet, dass aus Sicht eines außenstehenden Beobachters Ursache und Wirkung vertauscht werden könnten. Allerdings gibt es keine experimentellen Hinweise darauf, dass Überlichtgeschwindigkeit möglich ist. Auch mathematisch führen solche Annahmen zu Widersprüchen in den bekannten physikalischen Theorien. Konzepte wie Tachyonen (hypothetische Teilchen, die sich immer schneller als Licht bewegen) existieren zwar in der Theorie, wurden aber nie nachgewiesen. Zusammengefasst: Nach heutigem Stand der Wissenschaft würde eine Bewegung schneller als das Licht zu Zeitreise-ähnlichen Effekten führen, ist aber physikalisch nicht möglich.

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Albert Einstein kam auf die Idee der Raumzeitkrümmung im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, die er 1915 veröffentlichte. Der Weg dorthin war geprägt von mehreren Schrit... [mehr]

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Albert Einstein kam auf die Idee der Raumzeitkrümmung im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, die er 1915 veröffentlichte. Der Weg dorthin war geprägt von mehreren Schritten und Überlegungen: 1. **Spezielle Relativitätstheorie (1905):** Einstein erk, dass Raum Zeit nicht absolut sind sondern relativ zum Beobachter. Dies führte zur Vereinigung von Raum und Zeit zur sogenannten Raumzeit. 2. **Äquivalenzprinzip:** Einstein stellte fest, dass es keinen Unterschied gibt zwischen der Wirkung einer Gravitationskraft und der Wirkung einer Beschleunigung. Ein berühmtes Gedankenexperiment: In einem geschlossenen Fahrstuhl kann man nicht unterscheiden, ob man sich im Schwerefeld der Erde befindet oder ob der Fahrstuhl im Weltall beschleunigt wird. 3. **Geometrie und Gravitation:** Inspiriert von der Mathematik von Bernhard Riemann und anderen, erkannte Einstein, dass Gravitation nicht als Kraft, sondern als Eigenschaft der Raumzeit selbst beschrieben werden kann. Massen und Energien krümmen die Raumzeit, und diese Krümmung bestimmt, wie sich Objekte bewegen. 4. **Mathematische Formulierung:** Mit Hilfe der Differentialgeometrie und der Tensorrechnung (insbesondere des Riemannschen Krümmungstensors) konnte Einstein seine Theorie mathematisch formulieren. Die berühmten Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben, wie Materie und Energie die Raumzeit krümmen. Zusammengefasst: Einstein kam durch das Nachdenken über die Natur von Raum, Zeit und Gravitation, durch das Äquivalenzprinzip und durch die Anwendung moderner Mathematik auf die Idee, dass Gravitation eine Folge der Krümmung der Raumzeit ist.

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Die Raumzeitkrümmung ist ein zentrales Konzept der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Albert Einstein 1915 veröffentlichte. Sie besagt, dass Masse und Energie die Raumzeit krümme... [mehr]

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Die Raumzeitkrümmung ist ein zentrales Konzept der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Albert Einstein 1915 veröffentlichte. Sie besagt, dass Masse und Energie die Raumzeit krümmen und diese Krümmung wiederum die Bewegung von Objekten und das Licht beeinflusst. **Nachweis und Entdeckung:** 1. **Theoretische Vorhersage (1915):** Einstein entwickelte die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die mathematisch beschreiben, wie Masse und Energie die Raumzeit krümmen. 2. **Erster experimenteller Nachweis (1919):** Der britische Astronom Arthur Eddington leitete eine Expedition zur Beobachtung einer totalen Sonnenfinsternis. Dabei wurde überprüft, ob das Licht von Sternen, das nahe an der Sonne vorbeiläuft, durch die Raumzeitkrümmung abgelenkt wird. Die Messungen bestätigten Einsteins Vorhersage: Das Sternenlicht wurde tatsächlich um den berechneten Betrag abgelenkt. Dies war der erste direkte experimentelle Nachweis der Raumzeitkrümmung. 3. **Weitere Bestätigungen:** - **Gravitationslinseneffekt:** Licht von fernen Galaxien wird durch die Schwerkraft großer Massen (z.B. Galaxienhaufen) abgelenkt, sodass verzerrte oder vervielfachte Bilder entstehen. Dieser Effekt wurde vielfach beobachtet. - **Periheldrehung des Merkur:** Die Umlaufbahn des Planeten Merkur weicht leicht von der Vorhersage der Newtonschen Mechanik ab. Die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt diese Abweichung durch die Raumzeitkrümmung. - **Gravitationswellen:** 2015 wurden erstmals Gravitationswellen direkt nachgewiesen. Sie entstehen durch beschleunigte Massen (z.B. verschmelzende Schwarze Löcher) und sind Wellen in der Raumzeit selbst. **Fazit:** Die Raumzeitkrümmung wurde zuerst durch die Ablenkung von Sternenlicht bei einer Sonnenfinsternis nachgewiesen und seither durch viele weitere Experimente und Beobachtungen bestätigt.

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Tachyonen sind hypothetische Teilchen, die sich laut einigen physikalischen Theorien immer schneller als das Licht bewegen würden. In der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein i... [mehr]

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Tachyonen sind hypothetische Teilchen, die sich laut einigen physikalischen Theorien immer schneller als das Licht bewegen würden. In der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein ist die Lichtgeschwindigkeit jedoch die absolute Grenze für die Übertragung von Information und Materie. Nichts mit Masse kann diese Grenze erreichen oder überschreiten. Würde es Tachyonen tatsächlich geben und könnten sie Informationen übertragen, dann könnten sie – zumindest theoretisch – Kausalitätsverletzungen verursachen. Das bedeutet: In bestimmten Bezugssystemen könnten Effekte vor ihren Ursachen eintreten, was so interpretiert werden könnte, als würde Information in die Vergangenheit übertragen. Das würde allerdings zu Paradoxien führen, wie dem berühmten Großvaterparadoxon. Bis heute gibt es jedoch keinerlei experimentellen Nachweis für die Existenz von Tachyonen. Sie bleiben ein theoretisches Konstrukt, das vor allem in der Science-Fiction und in einigen mathematischen Modellen der Physik diskutiert wird. Fazit: Nach aktuellem Stand der Wissenschaft ist es nicht möglich, mit Tachyonen in die Vergangenheit zu reisen oder Informationen dorthin zu schicken, da ihre Existenz nicht belegt ist und sie fundamentale Probleme mit der Kausalität verursachen würden.

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Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment aus der speziellen Relativitätstheorie. Es beschreibt, dass ein Zwilling der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All reist und zurückkehrt,... [mehr]

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Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment aus der speziellen Relativitätstheorie. Es beschreibt, dass ein Zwilling der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All reist und zurückkehrt, jünger ist als sein auf der Erde gebliebener Zwilling. Das Paradoxon ist kein echter Widerspruch, sondern eine Folge der Zeitdilatation: Für den reisenden Zwilling vergeht die Zeit langsamer. Die Aussage „nach Rückkehr nicht mit dem Leben im Rauschff vereinbar“ ist etwas unklar formuliert. Falls gemeint ist, dass das Zwillingsparadoxon nicht mit dem Leben auf einem Raumschiff vereinbar sei, stimmt das so nicht: Die Effekte der Zeitdilatation gelten gerade für bewegte Systeme wie Raumschiffe. Für die Besatzung vergeht die Zeit normal, aber aus Sicht der Erde altern sie langsamer. Falls du auf eine andere Bedeutung von „Leben im Rauschff“ abzielst (z.B. im übertragenen Sinne oder im Zusammenhang mit Bewusstseinszuständen), wäre eine genauere Erläuterung hilfreich. Physikalisch betrachtet ist das Zwillingsparadoxon aber mit dem Leben auf einem Raumschiff vereinbar und wurde experimentell durch Messungen an schnellen Teilchen und Atomuhren bestätigt. Weitere Informationen findest du z.B. bei [Wikipedia: Zwillingsparadoxon](https://de.wikipedia.org/wiki/Zwillingsparadoxon).

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Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment aus der speziellen Relativitätstheorie. Es beschreibt, wie sich Zeit für zwei Zwillinge unterschiedlich schnell vergeht, wenn einer mit hohe... [mehr]

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Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment aus der speziellen Relativitätstheorie. Es beschreibt, wie sich Zeit für zwei Zwillinge unterschiedlich schnell vergeht, wenn einer mit hoher Geschwindigkeit (nahe Lichtgeschwindigkeit) reist und der andere auf der Erde bleibt. **Herzfrequenz auf der Erde:** 75 Schläge pro Minute. **Herzfrequenz im Raumschiff bei \( v = 0{,}75c \):** Die Zeitdilatation (Zeitverlangsamung) berechnet sich mit dem Lorentz-Faktor \(\gamma\): \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \] Setze \( v = 0{,}75c \) ein: \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - (0{,}75)^2}} = \frac{1}{\sqrt{1 - 0{,}5625}} = \frac{1}{\sqrt{0{,}4375}} \approx 1{,}51 \] **Was bedeutet das?** Für einen Beobachter auf der Erde vergeht die Zeit im Raumschiff langsamer. Das heißt: - Die Herzfrequenz des Astronauten erscheint von der Erde aus um den Faktor \(\gamma\) verlangsamt. **Berechnung der beobachteten Herzfrequenz:** \[ f_{\text{Raumschiff, beobachtet von Erde}} = \frac{f_{\text{Erde}}}{\gamma} \] \[ f_{\text{Raumschiff, beobachtet von Erde}} = \frac{75}{1{,}51} \approx 49,7 \text{ Schläge pro Minute} \] **Antwort:** Für einen Beobachter auf der Erde schlägt dein Herz im Raumschiff bei \(0{,}75c\) mit etwa **50 Schlägen pro Minute**. **Wichtig:** Für dich selbst im Raumschiff bleibt deine Herzfrequenz bei 75 Schlägen pro Minute, weil du deine eigene Zeit misst. Die Verlangsamung ist nur für Außenstehende sichtbar.

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Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment aus der speziellen Relativitätstheorie. Es besagt, dass ein Zwilling, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit (z. B. 0,95 c) ins All reist und zur&uu... [mehr]

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Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment aus der speziellen Relativitätstheorie. Es besagt, dass ein Zwilling, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit (z. B. 0,95 c) ins All reist und zurückkehrt, bei seiner Rückkehr jünger ist als sein auf der Erde gebliebener Zwilling. Das liegt an der Zeitdilatation: Für den reisenden Zwilling vergeht die Zeit langsamer. Zur Frage der Herzfrequenz und Lebensfähigkeit: **Herzfrequenzreduktion aus Sicht der Erde:** Für einen Beobachter auf der Erde scheint beim reisenden Zwilling alles (inklusive Herzschlag) verlangsamt abzulaufen. Das ist aber nur eine äußere Beobachtung. Für den Astronauten selbst vergeht die Zeit ganz normal, auch seine Herzfrequenz bleibt für ihn unverändert und lebensfähig. **Herzfrequenz aus Sicht des Astronauten:** Der Astronaut spürt keine Veränderung seiner eigenen biologischen Prozesse. Seine Herzfrequenz, Stoffwechsel usw. laufen für ihn wie gewohnt ab. Er ist also aus seiner eigenen Sicht völlig lebensfähig. **Fazit:** Die Zeitdilatation beeinflusst nicht die Lebensfähigkeit des Astronauten. Die scheinbare Verlangsamung der Herzfrequenz ist nur für Außenstehende sichtbar, nicht für den Astronauten selbst. Er bleibt also auch bei 0,95 c lebensfähig, solange alle anderen Bedingungen (z. B. Sauerstoff, Strahlenschutz) erfüllt sind. Weitere Infos zum Zwillingsparadoxon findest du z. B. bei [Wikipedia](https://de.wikipedia.org/wiki/Zwillingsparadoxon).

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Die Frage bezieht sich offenbar auf die Herzfrequenz von Astronauten, die sich mit einer Geschwindigkeit von 0,95 c (also 95 % der Lichtgeschwindigkeit) bewegen. Hierbei ist vermutlich der Effekt der... [mehr]

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Die Frage bezieht sich offenbar auf die Herzfrequenz von Astronauten, die sich mit einer Geschwindigkeit von 0,95 c (also 95 % der Lichtgeschwindigkeit) bewegen. Hierbei ist vermutlich der Effekt der Zeitdilatation aus der speziellen Relativitätstheorie gemeint. **Zeitdilatation:** Nach der speziellen Relativitätstheorie vergeht für einen bewegten Beobachter (z. B. einen Astronauten im Raumschiff) die Zeit langsamer als für einen ruhenden Beobachter (z. B. jemanden auf der Erde). Das bedeutet: Die Herzfrequenz des Astronauten bleibt für ihn selbst gleich, aber für einen Beobachter auf der Erde scheint sein Herz langsamer zu schlagen. **Berechnung:** Die Zeitdilatation wird mit dem Lorentz-Faktor γ berechnet: \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}} \] Für \( v = 0{,}95c \): \[ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - (0{,}95)^2}} = \frac{1}{\sqrt{1 - 0{,}9025}} = \frac{1}{\sqrt{0{,}0975}} \approx 3{,}2026 \] **Beispiel:** Angenommen, die normale Herzfrequenz eines Astronauten beträgt 70 Schläge pro Minute (bpm). - **Für den Astronauten selbst:** Die Herzfrequenz bleibt 70 bpm. - **Für einen Beobachter auf der Erde:** Die Zeit vergeht für den Astronauten langsamer, also schlägt sein Herzbar langsamer: \[ f_{\text{Erde}} = \frac{f_{\text{Raumschiff}}}{\gamma} = \frac{70}{3{,}2026} \approx 21{,}86\,\text{bpm} \] **Fazit:** Für einen Beobachter auf der Erde schlägt das Herz des Astronauten bei 0,95 c nur noch mit etwa 22 Schlägen pro Minute, während es für den Astronauten selbst unverändert bleibt. Weitere Infos zur Zeitdilatation findest du z. B. bei [Wikipedia](https://de.wikipedia.org/wiki/Zeitdilatation).