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100 Jahre Relativitätstheorie:Dellen in der Raumzeit

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Vor genau 100 Jahren präsentierte Albert Einstein seine Relativitätstheorie der Öffentlichkeit. Noch heute helfen die Formeln, den Kosmos zu verstehen. Aber manchmal versagen sie.

Von Reinhard Breuer

Manche Geniestreiche faszinieren für eine Saison, andere ergreifen Menschen vielleicht für einige Jahre. Aber gleich für ein ganzes Jahrhundert? Albert Einstein ist genau das gelungen. Seine im November 1915 erstmals präsentierte "Allgemeine Relativitätstheorie" hielt Physiker jahrzehntelang in Atem, überstand zahlreiche Angriffe - und steht bis heute im Brennpunkt aktueller Forschung.

Die revolutionäre Idee Einsteins war, Gravitation als Krümmung von Raum und Zeit zu begreifen. Man muss sich die Schwerkraft also als eine Art Landschaft vorstellen: Objekte bewegen sich wie Murmeln in einer hügeligen Fläche, deren Täler die Orte der Anziehung markieren. "Die Geometrie sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll, und die Materie diktiert der Geometrie, wie sie sich zu krümmen hat", notierte einmal der Physiker John Archibald Wheeler von der Universität Princeton.

Newtons Physik auf den Kopf gestellt

Diese Auffassung der Schwerkraft sorgte für Aufsehen, weil Einstein damit den bis dahin üblichen Kraftbegriff von Isaac Newton auf den Kopf stellte. Newtons legendärer Apfel wird beim freien Fall durch die Schwerkraft der Erde vom Baum zu Boden gezerrt. In Einsteins Deutung bewegt sich der Apfel dagegen kräftefrei vom Ast zu Boden. Die Erde hat den Raum um sie herum so stark verformt, dass der Apfel sich zwangsläufig in ihre Richtung bewegt. Nach der Landung im Gras hindert die starre Erdoberfläche den Apfel am kräftefreien Weiterfallen - und verleiht ihm so sein Gewicht.

Nachdem Einstein die Theorie der Königlich-Preußischen Akademie der Wissenschaften vorgestellt hatte, verbreitete sich schnell die Meinung, dass höchstens drei Menschen auf der Welt diese neue Theorie verstünden. Als dies dem britischen Theoretiker Sir Arthur Eddington einmal vorgehalten wurde, soll er geantwortet haben: "Kann schon sein - aber wer sind die anderen zwei?" Das war kokett, denn es gab durchaus hochkarätige Forscher, denen sowohl die Mathematik als auch die Tragweite von Einsteins komplizierten "Feldgleichungen" sofort klar waren. Diese zehn Formeln sind auf raffinierte Weise miteinander gekoppelt. Exakte Lösungen kann man für sie nur in Ausnahmefällen ermitteln, selbst heutige Computer finden dann nur eine ungefähre Näherungslösung.

Aber die Theorie machte Vorhersagen, anhand derer sie sich verifizieren ließ. Ihr zufolge sollte die Schwerkraft der Sonne die Bahnbewegung des Merkurs geringfügig verändern. Der innerste Planet im Sonnensystem bewegt sich nicht entlang einer raumfesten Ellipse um die Sonne, sondern seine Bahn verschiebt sich mit jedem Umlauf ein kleines Stück. Im Laufe von Jahrtausenden gleicht die Bahn des Merkurs also nicht einem Ei, sondern einer feingefächerten Rosette.

Dies war bereits Astronomen im 19. Jahrhundert aufgefallen. Um 0,16 Winkelgrad pro Jahrhundert verschob sich der Punkt, an dem der Planet seinen sonnennächsten Punkt erreicht. Dieser Wert passte allerdings nicht zu Newtons Theorie der Schwerkraft. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hingegen lieferte das richtige Ergebnis - was Einstein und seine Kollegen in dem Glauben bestärkte, dass die Feldgleichungen die Wirklichkeit beschrieben.

Für größere Aufmerksamkeit außerhalb der Fachwelt sorgte allerdings eine andere der Vorhersagen der Theorie. Ihr zufolge macht das Licht eines Sterns einen kleinen Bogen, wenn es die Sonne passiert - schließlich umgibt eine große Masse eine mächtige Raumzeitdelle. Von der Erde aus betrachtet verschiebt sich die Position von Sternen, die am Himmel in der Nähe der Sonne stehen, also ein wenig. Dieser Gravitationslinseneffekt zählt heute zu den gängigen astronomischen Methoden, um die ansonsten unsichtbare Dunkle Materie im All aufzuspüren.

Vor 100 Jahren aber war er absolutes Neuland. Entsprechend groß war die Sensation, als zwei Expeditionen nach Westafrika und Brasilien entsandt wurden, um während einer totalen Sonnenfinsternis Sterne in der Nähe der Sonne zu beobachten - und tatsächlich die von Einstein vorhergesagte Verschiebung beobachteten. Erst viel später kam heraus, dass das Wetter vor Ort schlecht und die gemessenen Daten keineswegs so eindeutig gewesen waren, wie 1919 behauptet. Doch da gab es bereits neuere Tests - und Einstein umgab längst eine Legende.

Bereits die "Dunkle Energie" findet sich versteckt in Einsteins Gleichungen

Die Legende verbarg und verbirgt bis heute, dass die Theorie zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung keinesfalls fertig war. Wissenschaftshistoriker belegen, wie sich Einsteins Argumentation im Lauf der Jahre veränderte. Selbst der Erfinder, sagt Jürgen Renn vom Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte in Berlin, betrachtete die Allgemeine Relativitätstheorie als Zwischenprodukt. Also als Theorie, die eigentlich auf etwas verwies, was jenseits von ihr existierte.

Einstein selbst suchte mit seiner Theorie nach einem Modell des Universums, das - entsprechend dem Weltbild seiner Zeit - statisch und unvergänglich sein sollte. Dazu führte er in seine Gleichungen 1917 eine Konstante "Lambda" ein, die er kosmologische Konstante nannte.

Auch wenn Albert Einstein sie bald wieder verwarf und bereute, so lässt sich aus heutiger Sicht nur konstatieren: Sie war ein weiterer Geniestreich. 1998 fanden Kosmologen Hinweise, dass das Universum von einer rätselhaften "Dunklen Energie" immer schneller auseinandergedrückt wird. Sie taucht bereits in Einsteins Feldgleichungen auf - als kosmologische Konstante.

Und auch ein anderer Bestandteil der modernen Astrophysik hat seine Ursprünge in Einsteins Theorie: Bereits 1916 hatte Karl Schwarzschild eine exakte Lösung der Feldgleichungen formuliert: Eine statische Kugel, in deren Zentrum die Schwerkraft unendlich groß zu werden scheint. In den 1960er-Jahren prägte Princeton-Physiker John Archibald Wheeler dafür den Begriff "Schwarzes Loch". Heute wissen Astronomen: Solch ein Ungetüm verbirgt sich im Zentrum der meisten Galaxien im Universum.

Kein Wunder, dass die Allgemeine Relativitätstheorie bis heute als Jahrhunderttheorie gefeiert wird. Der Münchner Astrophysiker Gerhard Börner vom Max-Planck-Institut für Astrophysik gerät ins Schwärmen, wenn man ihn auf die Theorie anspricht. Immer wieder sei sie in den vergangenen Jahrzehnten getestet worden, etwa mit Satelliten im Sonnensystem oder anhand von fernen Sternsystemen, in denen es zwei Neutronensterne gibt, erzählt er. Einsteins Theorie habe alle Versuche, sie zu widerlegen, bravourös überstanden. Es gab mögliche winzige Abweichungen. "Doch niemals gab es einen Hinweis, dass da wirklich etwas Neues sein könnte", sagt Börner.

Aber es gibt auch Grenzen der Erfolgsgeschichte. Sie zeigten sich einerseits deutlich in den 1960er-Jahren, als die britischen Theoretiker Stephen Hawking und Roger Penrose die Grenzen der Theorie mathematisch bewiesen. Unweigerlich würden, so errechneten die heute berühmten Physiker, sogenannte Singularitäten auftreten, etwa während des Urknalls oder im Zentrum von Schwarzen Löchern. Wo Druck, Dichte und Temperaturen rein mathematisch über alle Grenzen schier ins Unendliche schießen, da muss die Physik passen.

Gerhard Börner sieht das positiv: Es sei doch großartig, dass eine Theorie die Grenzen ihrer eigenen Gültigkeit beschreibe. "Das ist sehr ungewöhnlich." Allerdings ist es Physikern bis heute nicht gelungen, Einsteins Theorie mit der anderen großen Theorie des 20. Jahrhunderts, der Quantenphysik, zu versöhnen, diese also in einer gemeinsamen Theorie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie zu bündeln.

Allenfalls Ansätze gibt es, trotz erheblicher Anstrengungen seit vielen Jahrzehnten. Aber auch dem kann Gerhard Börner noch etwas Positives abgewinnen: "Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ist schon eine ziemlich raffinierte Konstruktion, wenn sie sich einer Quantenformulierung so widersetzt."

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SZ vom 26.09.2015
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