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Relativitätstheorie damals und heute | Innovation

'Ich bin erschöpft. Aber der Erfolg ist herrlich.

Es war diesen November vor hundert Jahren, und Albert Einstein genoss einen seltenen Moment der Zufriedenheit. Tage zuvor, am 25. November 1915, hatte er die Bühne der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin betreten und erklärt, seine qualvolle, jahrzehntelange Expedition zu einem neuen und tieferen Verständnis der Schwerkraft endlich beendet zu haben. Die allgemeine Relativitätstheorie, behauptete Einstein, sei nun abgeschlossen.

Der Monat vor der historischen Ankündigung war die intellektuell intensivste und angstbesetztste Zeit seines Lebens gewesen. Es gipfelte in Einsteins radikal neuer Vision des Zusammenspiels von Raum, Zeit, Materie, Energie und Schwerkraft, eine Leistung, die weithin als eine der größten intellektuellen Errungenschaften der Menschheit verehrt wird.





Damals wurde das Summen der Allgemeinen Relativitätstheorie nur von einer Gruppe von Denkern am Rande der esoterischen Physik gehört. Aber im Jahrhundert danach wurde Einsteins Idee zum Nexus für eine Vielzahl grundlegender Fragen, einschließlich des Ursprungs des Universums, der Struktur von Schwarzen Löchern und der Vereinigung der Naturkräfte, und die Theorie wurde auch für angewandte Aufgaben genutzt B. nach extrasolaren Planeten suchen, die Masse entfernter Galaxien bestimmen und sogar die Flugbahnen von eigenwilligen Autofahrern und ballistischen Raketen bestimmen. Die Allgemeine Relativitätstheorie, einst eine exotische Beschreibung der Schwerkraft, ist heute ein leistungsstarkes Forschungsinstrument.

Die Suche nach der Schwerkraft begann lange vor Einstein. Während der Pest, die Europa von 1665 bis 1666 verwüstete, zog sich Isaac Newton von seinem Posten an der Universität Cambridge zurück, suchte Zuflucht im Haus seiner Familie in Lincolnshire und erkannte in seinen müßigen Stunden, dass jedes Objekt, ob auf der Erde oder im Himmel, , zieht aneinander mit einer Kraft, die allein davon abhängt, wie groß die Objekte sind – ihre Masse – und wie weit sie im Raum voneinander entfernt sind – ihre Entfernung. Schulkinder auf der ganzen Welt haben die mathematische Version des Newtonschen Gesetzes gelernt, das so spektakulär genaue Vorhersagen für die Bewegung von allem gemacht hat, von geschleuderten Gesteinen bis hin zu umlaufenden Planeten, dass es schien, als hätte Newton das letzte Wort über die Schwerkraft geschrieben. Aber das hatte er nicht. Und Einstein war sich dessen als erster sicher.



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1905 entdeckte Einstein die spezielle Relativitätstheorie und begründete damit das berühmte Diktum, dass sich nichts – kein Objekt oder Signal – schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Und darin liegt der Haken. Wenn Sie die Sonne wie eine kosmische Maraca schütteln, wird die Erde nach dem Newtonschen Gesetz sofort durch die Schwerkraft erschüttert. Das heißt, Newtons Formel impliziert, dass die Schwerkraft ihren Einfluss augenblicklich von einem Ort zum anderen ausübt. Das ist nicht nur schneller als das Licht, es ist unendlich.

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Relativitätstheorie: Das Besondere und die Allgemeine Theorie

Diese hübsche Ausgabe von Einsteins berühmtem Buch, die zum hundertsten Jahrestag der Allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlicht wurde, stellt das Werk in einen historischen und intellektuellen Kontext und bietet gleichzeitig unschätzbare Einblicke in einen der größten wissenschaftlichen Köpfe aller Zeiten.



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Einstein würde nichts davon haben. Es muss sicherlich eine verfeinerte Beschreibung der Gravitation geben, bei der die Gravitationseinflüsse dem Licht nicht entgehen. Einstein widmete sich der Suche. Und dazu musste er eine scheinbar grundlegende Frage beantworten: Wie funktioniert die Schwerkraft? Wie streckt sich die Sonne über 93 Millionen Meilen aus und übt eine Anziehungskraft auf die Erde aus? Für die vertrauteren Züge der Alltagserfahrung – das Öffnen einer Tür, das Entkorken einer Weinflasche – ist der Mechanismus offensichtlich: Es besteht ein direkter Kontakt zwischen Ihrer Hand und dem Objekt, das den Zug erfährt. Aber wenn die Sonne auf die Erde zieht, wird dieser Zug über den Weltraum ausgeübt – den leeren Raum. Es gibt keinen direkten Kontakt. Welche unsichtbare Hand ist also am Werk, die die Gebote der Schwerkraft ausführt?

Newton selbst fand diese Frage zutiefst rätselhaft und erklärte, dass sein eigenes Versäumnis, den Einfluss der Schwerkraft zu identifizieren, dazu führte, dass seine Theorie, so erfolgreich ihre Vorhersagen auch sein mögen, sicherlich unvollständig war. Doch über 200 Jahre lang war Newtons Eingeständnis nichts anderes als eine übersehene Fußnote zu einer Theorie, die ansonsten genau mit Beobachtungen übereinstimmte.

1907 begann Einstein ernsthaft an der Beantwortung dieser Frage zu arbeiten; 1912 war es seine Vollzeitbesessenheit. Und innerhalb dieser wenigen Jahre gelang Einstein ein wichtiger konzeptioneller Durchbruch, der so einfach zu sagen wie schwer zu fassen ist: Wenn zwischen Sonne und Erde nichts als leerer Raum ist, dann muss ihre gegenseitige Anziehungskraft vom Weltraum ausgeübt werden selbst. Aber wie?

Einsteins Antwort, schön und mysteriös zugleich, ist, dass Materie, wie die Sonne und die Erde, den Raum um sich herum krümmt und die resultierende verzerrte Form des Raums die Bewegung anderer vorbeiziehender Körper beeinflusst.

Hier ist eine Möglichkeit, darüber nachzudenken. Stellen Sie sich die gerade Flugbahn vor, gefolgt von einer Murmel, die Sie auf einem flachen Holzboden gerollt haben. Stellen Sie sich nun vor, den Marmor auf einem Holzboden zu rollen, der von einer Flut verzogen und verdreht wurde. Der Marmor folgt nicht der gleichen geraden Flugbahn, da er von den geschwungenen Konturen des Bodens hin und her gestoßen wird. Ähnlich wie beim Boden, so beim Raum. Einstein stellte sich vor, dass die gekrümmten Konturen des Weltraums einen geschlagenen Baseball dazu bringen würden, seiner vertrauten parabolischen Bahn zu folgen und die Erde dazu zu bringen, auf ihrer üblichen elliptischen Umlaufbahn zu bleiben.

Es war ein atemberaubender Sprung. Bis dahin war Raum ein abstrakter Begriff, eine Art kosmischer Behälter, kein greifbares Wesen, das Veränderungen bewirken könnte. Tatsächlich war der Sprung noch größer. Einstein erkannte, dass sich auch die Zeit verdrehen kann. Intuitiv stellen wir uns alle vor, dass Uhren, egal wo sie sich befinden, gleich schnell ticken. Aber Einstein schlug vor, dass die Uhren umso langsamer ticken, je näher sie einem massiven Körper wie der Erde sind, was einen erschreckenden Einfluss der Schwerkraft auf den Zeitverlauf widerspiegelt. Und so wie eine räumliche Krümmung die Flugbahn eines Objekts anstoßen kann, so auch für eine zeitliche: Einsteins Mathematik legt nahe, dass Objekte an Orte gezogen werden, an denen die Zeit langsamer verstreicht.

Dennoch reichte Einsteins radikale Umgestaltung der Schwerkraft in Bezug auf die Form von Raum und Zeit nicht aus, um den Sieg zu erringen. Er musste die Ideen zu einem prädiktiven mathematischen Rahmen entwickeln, der die von Raum, Zeit und Materie getanzte Choreografie präzise beschreiben würde. Das erwies sich selbst für Albert Einstein als monumentale Herausforderung. 1912, als er sich bemühte, die Gleichungen zu formulieren, schrieb er an einen Kollegen: Nie zuvor in meinem Leben habe ich mich so gequält. Doch schon ein Jahr später, als er in Zürich mit seinem mathematisch versierten Kollegen Marcel Grossmann arbeitete, kam Einstein der Antwort verlockend nahe. Ausgehend von Ergebnissen aus der Mitte des 19. Jahrhunderts, die die geometrische Sprache zur Beschreibung gekrümmter Formen lieferten, schuf Einstein eine völlig neue, aber völlig rigorose Neuformulierung der Schwerkraft in Bezug auf die Geometrie von Raum und Zeit.

Doch dann schien alles zusammenzubrechen. Bei der Untersuchung seiner neuen Gleichungen beging Einstein einen verhängnisvollen technischen Fehler, der ihn glauben ließ, dass sein Vorschlag nicht alle möglichen alltäglichen Bewegungen korrekt beschreiben konnte. Zwei lange, frustrierende Jahre lang versuchte Einstein verzweifelt, das Problem zu beheben, aber nichts funktionierte.

Einstein, hartnäckig wie sie kommen, blieb unbeirrt, und im Herbst 1915 sah er endlich den Weg nach vorne. Inzwischen war er Professor in Berlin und wurde in die Preußische Akademie der Wissenschaften aufgenommen. Trotzdem hatte er Zeit. Seine entfremdete Frau Mileva Maric akzeptierte schließlich, dass ihr Leben mit Einstein vorbei war und war mit ihren beiden Söhnen nach Zürich zurückgezogen. Obwohl die zunehmend angespannten Familienbeziehungen schwer auf Einstein lasteten, erlaubte ihm die Vereinbarung auch, in der stillen Einsamkeit seiner kargen Berliner Wohnung Tag und Nacht ungestört seinen mathematischen Ahnungen zu folgen.

Im November trug diese Freiheit Früchte. Einstein korrigierte seinen früheren Fehler und machte sich auf den letzten Aufstieg zur Allgemeinen Relativitätstheorie. Aber während er intensiv an den feinen mathematischen Details arbeitete, wurden die Bedingungen unerwartet tückisch. Einige Monate zuvor hatte Einstein den renommierten deutschen Mathematiker David Hilbert getroffen und all seine Gedanken über seine neue Gravitationstheorie geteilt. Anscheinend erfuhr Einstein zu seinem Entsetzen, dass das Treffen Hilberts Interesse so geweckt hatte, dass er Einstein nun bis zur Ziellinie raste.

Eine Reihe von Postkarten und Briefen, die die beiden im November 1915 austauschten, dokumentiert eine herzliche, aber intensive Rivalität, die jeweils die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie näher rückte. Hilbert hielt es für faires Spiel, eine Öffnung in einer vielversprechenden, aber noch unvollendeten Theorie der Gravitation zu verfolgen; Einstein hielt es für eine schrecklich schlechte Form für Hilbert, bei seiner Solo-Expedition so nahe am Gipfel mitzumischen. Darüber hinaus stellte Einstein ängstlich fest, dass Hilberts tiefere mathematische Reserven eine ernsthafte Bedrohung darstellten. Ungeachtet seiner jahrelangen harten Arbeit könnte Einstein geschöpft werden.

Die Sorge war begründet. Am Samstag, den 13. November, erhielt Einstein von Hilbert eine Einladung, am darauffolgenden Dienstag nach Göttingen zu kommen, um die Lösung Ihres großen Problems in aller Ausführlichkeit zu erfahren. Einstein widersprach. Ich muss vorerst davon absehen, nach Göttingen zu reisen, sondern muss geduldig warten, bis ich Ihr System anhand des gedruckten Artikels studieren kann; denn ich bin müde und geplagt von Bauchschmerzen außerdem.

Aber als Einstein an diesem Donnerstag seine Post öffnete, wurde er mit Hilberts Manuskript konfrontiert. Einstein schrieb sofort zurück und verbarg seine Verärgerung kaum: Das von Ihnen gelieferte System stimmt - soweit ich sehe - genau mit dem überein, was ich in den letzten Wochen gefunden und der Akademie vorgelegt habe. Seinem Freund Heinrich Zangger vertraute Einstein an: Aus meiner persönlichen Erfahrung habe ich die Erbärmlichkeit der menschlichen Gattung nicht besser erfahren als bei dieser Theorie....

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Eine Woche später, am 25. November, enthüllte Einstein bei einem Vortrag vor einem gedämpften Publikum an der Preußischen Akademie die endgültigen Gleichungen, die die Allgemeine Relativitätstheorie bilden.

Niemand weiß, was in dieser letzten Woche passiert ist. Hat Einstein die endgültigen Gleichungen selbst aufgestellt oder hat Hilberts Aufsatz ungebetene Hilfe geleistet? Enthielt Hilberts Entwurf die richtige Form der Gleichungen, oder fügte Hilbert diese Gleichungen, inspiriert von Einsteins Arbeit, nachträglich in die Version des Papiers ein, die Hilbert Monate später veröffentlichte? Die Intrige verschärft sich nur, als wir erfahren, dass ein wichtiger Abschnitt der Seitenbeweise für Hilberts Aufsatz, der die Fragen hätte klären können, buchstäblich weggeschnitten wurde.

Am Ende hat Hilbert das Richtige getan. Er räumte ein, dass die allgemeine Relativitätstheorie zu Recht Einstein zugeschrieben werden sollte, was auch immer seine Rolle bei der Katalyse der endgültigen Gleichungen gewesen sein mag. Und das hat es auch. Auch Hilbert hat sich verdient gemacht, denn eine technische, aber besonders nützliche Ausdrucksweise der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie trägt die Namen der beiden Männer.

Der Kredit wäre natürlich nur dann lohnenswert, wenn die allgemeine Relativitätstheorie durch Beobachtungen bestätigt würde. Bemerkenswerterweise konnte Einstein sehen, wie das geschehen könnte.

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Die Allgemeine Relativitätstheorie sagte voraus, dass Lichtstrahlen, die von fernen Sternen emittiert werden, auf gekrümmten Bahnen wandern, wenn sie auf dem Weg zur Erde durch die verzogene Region nahe der Sonne wandern. Einstein verwendete die neuen Gleichungen, um dies genau zu machen – er berechnete die mathematische Form dieser gekrümmten Bahnen. Aber um die Vorhersage zu testen, müssten Astronomen entfernte Sterne sehen, während die Sonne im Vordergrund steht, und das ist nur möglich, wenn der Mond während einer Sonnenfinsternis das Licht der Sonne blockiert.

Die nächste Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919 wäre somit das Testgelände der Allgemeinen Relativitätstheorie. Britische Astronomenteams unter der Leitung von Sir Arthur Eddington haben sich an zwei Orten niedergelassen, die eine totale Sonnenfinsternis erleben würden – in Sobral, Brasilien, und auf Príncipe vor der Westküste Afrikas. Jedes Team kämpfte gegen die Herausforderungen des Wetters und nahm eine Reihe von fotografischen Platten von entfernten Sternen auf, die für einen Moment sichtbar waren, als der Mond über die Sonne trieb.

In den folgenden Monaten sorgfältiger Analyse der Bilder wartete Einstein geduldig auf die Ergebnisse. Am 22. September 1919 erhielt Einstein schließlich ein Telegramm, in dem bekannt gegeben wurde, dass die Beobachtungen der Finsternis seine Vorhersage bestätigt hatten.

Zeitungen auf der ganzen Welt griffen die Geschichte auf, mit atemlosen Schlagzeilen, die Einsteins Triumph verkündeten und ihn praktisch über Nacht in eine weltweite Sensation katapultierten. Inmitten der Aufregung fragte eine junge Studentin, Ilse Rosenthal-Schneider, Einstein, was er wohl gedacht hätte, wenn die Beobachtungen nicht mit der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmten. Einstein antwortete bekanntermaßen mit charmanter Tapferkeit: Der liebe Gott hätte mir leid getan, weil die Theorie richtig ist.

Tatsächlich gab es in den Jahrzehnten seit den Sonnenfinsternis-Messungen viele andere Beobachtungen und Experimente – einige davon noch im Gange –, die zu einem felsenfesten Vertrauen in die allgemeine Relativitätstheorie geführt haben. Einer der beeindruckendsten ist ein Beobachtungstest, der fast 50 Jahre dauerte und zu den am längsten laufenden Projekten der NASA zählte. Die Allgemeine Relativitätstheorie behauptet, dass ein Körper wie die Erde, der sich um seine Achse dreht, den Raum in einem Wirbel herumziehen sollte, etwa wie ein sich drehender Kieselstein in einem Eimer mit Melasse. In den frühen 1960er Jahren entwickelten Stanford-Physiker ein Schema, um die Vorhersage zu testen: Starten Sie vier ultrapräzise Gyroskope in eine erdnahe Umlaufbahn und suchen Sie nach winzigen Verschiebungen in der Ausrichtung der Gyroskopachsen, die der Theorie nach verursacht werden sollten durch den wirbelnden Raum.

Es brauchte eine Generation wissenschaftlicher Anstrengungen, um die notwendige Kreiseltechnologie zu entwickeln und dann jahrelange Datenanalyse, um unter anderem ein unglückliches Wackeln der im Weltraum erworbenen Kreisel zu überwinden. Doch 2011 gab das Team hinter Gravity Probe B, wie das Projekt bekannt ist, bekannt, dass das über ein halbes Jahrhundert andauernde Experiment zu einem erfolgreichen Abschluss gekommen sei: Die Achsen der Gyroskope drehten sich um den Betrag, den Einsteins Mathematik vorhersagte.

Es gibt noch ein Experiment, das derzeit mehr als 20 Jahre dauert und das viele als den letzten Test der Allgemeinen Relativitätstheorie betrachten. Der Theorie zufolge erzeugen zwei kollidierende Objekte, seien es Sterne oder Schwarze Löcher, Wellen im Raumgefüge, ähnlich wie zwei kollidierende Boote auf einem ansonsten ruhigen See Wasserwellen erzeugen. Und wenn sich solche Gravitationswellen nach außen kräuseln, wird sich der Raum in ihrem Gefolge ausdehnen und zusammenziehen, ähnlich wie eine Teigkugel, die abwechselnd gedehnt und komprimiert wird.

Anfang der 1990er Jahre initiierte ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des MIT und des Caltech ein Forschungsprogramm zum Nachweis von Gravitationswellen. Die Herausforderung, und es ist eine große, besteht darin, dass, wenn eine stürmische astrophysikalische Begegnung in weiter Ferne stattfindet, sich die resultierenden räumlichen Wellen, wenn sie von der Erde gespült werden, so weit ausgebreitet haben, dass sie phantastisch verdünnt werden und den Raum möglicherweise dehnen und komprimieren nur ein Bruchteil eines Atomkerns.

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Dennoch haben Forscher eine Technologie entwickelt, die möglicherweise in der Lage ist, die winzigen verräterischen Anzeichen einer Welle im Weltraum zu erkennen, wenn er an der Erde vorbeirollt. Im Jahr 2001 wurden in Livingston, Louisiana, und Hanford, Washington, zwei vier Kilometer lange L-förmige Geräte, die zusammen als LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) bekannt sind, eingesetzt. Die Strategie besteht darin, dass eine vorbeiziehende Gravitationswelle die beiden Arme jedes L abwechselnd dehnen und komprimieren würde, was einen Abdruck auf dem Laserlicht hinterlässt, das an jedem Arm nach oben und unten rast.

Im Jahr 2010 wurde LIGO außer Betrieb genommen, bevor irgendwelche Gravitationswellensignaturen entdeckt worden waren – dem Gerät fehlte mit ziemlicher Sicherheit die erforderliche Empfindlichkeit, um die winzigen Zuckungen aufzuzeichnen, die durch eine die Erde erreichende Gravitationswelle verursacht werden. Aber jetzt wird eine weiterentwickelte Version von LIGO implementiert, ein Upgrade, das voraussichtlich zehnmal so empfindlich sein wird, und die Forscher gehen davon aus, dass in wenigen Jahren die Erkennung von Wellen im Weltraum durch entfernte kosmische Störungen alltäglich sein wird.

Ein Erfolg wäre spannend, nicht weil irgendjemand die allgemeine Relativitätstheorie wirklich anzweifelt, sondern weil bestätigte Verbindungen zwischen Theorie und Beobachtung mächtige neue Anwendungen hervorbringen können. Die Sonnenfinsternis-Messungen von 1919 zum Beispiel, die feststellten, dass die Schwerkraft die Flugbahn des Lichts biegt, haben eine erfolgreiche Technik inspiriert, die heute zum Auffinden entfernter Planeten verwendet wird. Wenn solche Planeten an ihren Wirtssternen vorbeiziehen, fokussieren sie das Licht des Sterns leicht und verursachen ein Aufhellungs- und Abblendungsmuster, das Astronomen erkennen können. Eine ähnliche Technik hat es Astronomen auch ermöglicht, die Masse bestimmter Galaxien zu messen, indem sie beobachteten, wie stark sie die Flugbahn des von noch weiter entfernten Quellen emittierten Lichts verzerren. Ein weiteres, bekannteres Beispiel ist das Global Positioning System, das auf Einsteins Entdeckung beruht, dass die Schwerkraft den Lauf der Zeit beeinflusst.Ein GPS-Gerät bestimmt seinen Standort, indem es die Laufzeit von Signalen misst, die von verschiedenen umlaufenden Satelliten empfangen werden.Ohne den Einfluss der Schwerkraft auf den Zeitverlauf auf den Satelliten zu berücksichtigen, würde das GPS-System die Position eines Objekts, einschließlich Ihres Autos oder einer Lenkrakete, nicht korrekt bestimmen.

Physiker glauben, dass der Nachweis von Gravitationswellen in der Lage ist, eine eigene Anwendung von grundlegender Bedeutung hervorzubringen: einen neuen Ansatz für die beobachtende Astronomie.

Seit Galileo haben wir Teleskope himmelwärts gerichtet, um Lichtwellen zu sammeln, die von weit entfernten Objekten ausgesandt werden. Die nächste Phase der Astronomie könnte sich sehr wohl auf das Sammeln von Gravitationswellen konzentrieren, die von weit entfernten kosmischen Umwälzungen erzeugt werden, was es uns ermöglicht, das Universum auf ganz neue Weise zu erforschen. Das ist besonders aufregend, weil Lichtwellen das Plasma, das den Weltraum füllte, erst einige hunderttausend Jahre nach dem Urknall durchdringen konnten – Gravitationswellen jedoch schon. Eines Tages könnten wir daher die Schwerkraft und nicht das Licht als unsere eindringlichste Sonde für die frühesten Momente des Universums verwenden.

Da Gravitationswellen den Weltraum ein wenig wie Schallwellen durch die Luft kräuseln, sprechen Wissenschaftler davon, nach Gravitationssignalen zu lauschen. Wenn man diese Metapher übernimmt, wie wunderbar, sich vorzustellen, dass das zweite hundertjährige Jubiläum der Allgemeinen Relativitätstheorie ein Grund für Physiker sein könnte, zu feiern, dass sie endlich die Klänge der Schöpfung gehört haben.

Anmerkung der Redaktion, 29. September 2015: In einer früheren Version dieses Artikels wurde die Funktionsweise von GPS-Systemen ungenau beschrieben. Der Text wurde entsprechend geändert.





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