Hundert Jahre Relativitätstheorie Paolo Giordano

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Physik hat mich schon früh, schon als Kind fasziniert, und ich glaube, das lag vor allem an der Allgemeinen Relativitätstheorie. Natürlich kannte ich kaum mehr als ihren Namen, doch der vermittelte mir die elektrisierende Vorstellung eines absoluten, eben „allgemeinen“ Wissens, und außerdem hatte ich einige simple Animationen gesehen, in denen die Massen der Planeten die Geometrie des Raums verformten. Das hatte mich tief beeindruckt. Die Nachwirkung einiger weniger Worte – «Raumzeit», «Relativität», «Gravitation» – in Verbindung mit den beunruhigenden farbigen Momentaufnahmen der unbeweglichen Nebel an den Grenzen des Universums trugen zum rechten Zeitpunkt den Sieg über andere Wissbegierden davon, die sich in der Zwischenzeit entwickelt hatten, und so war ich auf einmal Student der Physik.

Allerdings musste ich bis zum letzten Universitätsjahr warten, ehe ich mich mit der Theorie, die mich von Anfang an motiviert hatte, gründlicher vertraut machen konnte. Obwohl sie kein neues Forschungsgebiet mehr ist, gehört die Allgemeine Relativitätstheorie zu den avanciertesten Grenzbereichen der Wissenschaft und erfordert ein Hochleistungstraining, wenn man sich im Einzelnen mit ihr befassen will. Der Professor, der die beiden Kursmodule unterrichtete, hatte die Unart, nichts an die Tafel zu schreiben. Er maßte sich an, uns die komplizierten Berechnungen der Relativitätstheorie im Sitzen nahezubringen, und schrieb beim Herleiten der Tensoren und Integrale einfach in die Luft. Oft unterbrach er die Vorlesung mit langen Telefonaten auf Russisch, denen wir sprachlos und respektvoll lauschten. Wie viele Insider der radikalsten Wissenschaften war er der Meinung, wir müssten imstande sein, uns um die Details der Berechnungen selbst zu kümmern, was ich in jenen Jahren wieder und wieder versuchte, ohne dass es mir je zu meiner vollen Zufriedenheit gelang. «Es war nichts weniger als ein Wunder, dass die modernen Unterrichtsmethoden nicht gänzlich den geheiligten Geist der Neugier und Forschung erwürgten», schrieb Einstein über seine eigene holprige Schullaufbahn. Und auch ich finde es erstaunlich, dass meine Bewunderung für seine bedeutendste Theorie die Jahre meines Studiums und die vergeblichen Versuche, sie zu beherrschen, unbeschadet überstanden hat, ja sogar noch gestärkt daraus hervorgegangen ist, sodass ich, genau hundert Jahre nachdem sie konzipiert wurde, das Bedürfnis verspüre, sie gebührend zu feiern.

Am 25. November 1915 stellte Einstein seine Arbeit über die Allgemeine Relativitätstheorie der Preußischen Akademie der Wissenschaften vor. Berühmt war er bereits durch die drei Artikel, die er 1905 veröffentlicht hatte, darunter der über die Spezielle Relativitätstheorie und der über den photoelektrischen Effekt, der ihm später den Nobelpreis einbrachte. Doch zur unbestrittenen Ikone der modernen Physik, der Wissenschaft generell und des menschlichen Denkens schlechthin machte ihn erst die Allgemeine Relativitätstheorie.

Wie es nicht selten geschieht, gelangte Einstein durch ein eher einfaches begriffliches Problem und eine persönliche Überzeugung, fast könnte man sagen: durch eine Überlegung «des gesunden Menschenverstands», zu einem wichtigen Ergebnis. Er glaubte, die Naturgesetze, die Grundgesetze der Physik, müssten immer gleich sein, unabhängig davon, wo man sie beobachtete oder, genauer gesagt, in welchem Bezugssystem man die Messungen durchführte. Diese Überzeugung war für ihn nicht neu. In seinem Artikel über die Spezielle Relativitätstheorie hatte er mit Eleganz dargelegt, dass dies für zwei Beobachter zutrifft, die sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit bewegen. Einsteins «gesunder Menschenverstand» hatte sich bestätigt, sofern man von der Voraussetzung ausging, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, unabhängig davon, welcher der beiden Beobachter sie misst. Für den Fall, dass sich einer von beiden beschleunigt bewegt, blieb das Problem allerdings bestehen. Mit dieser möglichen Erweiterung begann Einstein sich 1907 zu beschäftigen, als er noch am Berner Patentamt arbeitete.

In einem seiner «Gedankenexperimente» – die wir gewöhnlich, durch die Ikonographie verleitet, vielleicht ein wenig zu Unrecht als bloßen Zeitvertreib während der langweiligen Büroarbeit betrachten – stellte sich Einstein einen Mann zusammen mit anderen Objekten im freien Fall vor. Kurz, eine bizarre Vorstellung. Er versetzte sich in den Mann hinein und gelangte – alle Komplikationen wie das Wohin und Warum dieses Sturzes, den Wind im Gesicht, die Furcht vor dem Zerschmettertwerden außer Acht lassend – zu der Erkenntnis, dass der Mann während des Falls keinerlei Möglichkeit hätte, sich der Existenz der Schwerkraft bewusst zu werden. Keinerlei Messung würde ihm dies erlauben. Dass dieses Gedankenexperiment einen finsteren Mangel an Empathie verriet, wurde Einstein vielleicht im Nachhinein klar, sodass er in seiner wissenschaftlichen Autobiographie schrieb: «Wenn ein Individuum an gutgefügten Gedanken Freude hat, so mag sich diese Seite seines Wesens auf Kosten anderer Seiten stärker ausprägen und so seine Mentalität in steigendem Maße bestimmen.» Wie dem auch sei, dank seiner «Mentalität« und seiner Unbekümmertheit um das Schicksal des Mannes im freien Fall schuf Einstein die erste Synapse zwischen den Begriffen Beschleunigung und Gravitation und damit die Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Bis zu ihrer vollständigen Formalisierung brauchte Einstein weitere acht Jahre. Er zog von Bern nach Prag, dann nach Zürich und schließlich nach Berlin, trennte sich von seiner ersten Frau Mileva und seinen Kindern und – darin liegt die Außergewöhnlichkeit des Unterfangens – vertiefte sich in hochkomplizierte Gebiete der Mathematik, von denen nur wenige damals erwarteten, dass sie sich für eine Beschreibung der Realität als nützlich erweisen könnten. Riemann, ein genialer Schüler von Gauß, hatte die Krümmung der Flächen in vieldimensionalen Räumen untersucht, und an mehreren Orten der Welt wurden seit Jahren die wundersamen Eigenschaften der sogenannten nichteuklidischen Geometrien erforscht: Geometrien, in denen bestimmte Annahmen über den Raum, wie wir ihn erleben, ihre Gültigkeit verlieren, in denen Parallelen sich früher oder später schneiden, die Summe der Winkel in einem Dreieck kleiner ist als hundertachtzig Grad und in denen man, wenn man zu Fuß ein Quadrat abläuft, am Ende nicht wieder am Ausgangspunkt ankommt. Das schienen typische Spitzfindigkeiten der reinen Mathematik zu sein, verrückte Modelle, und doch warteten sie geduldig auf ihr Debüt als Protagonisten in der Welt der Erscheinungen.

Einstein stellte sich die Raumzeit als eine geometrische Struktur vor, die durch das Vorhandensein von Materie – durch Energie und Masse, durch die Sterne, die Planeten, die Gase – verformt, gekrümmt wird, und fand das genaue Verhältnis zwischen dem Grad der Krümmung und der für das Zustandekommen der Krümmung erforderlichen Menge an Materie. «Einstein behauptete, dass der Raum gekrümmt sei und dass die Materie die Ursache der Krümmung sei«, fasste Feynman Jahre später zusammen. War einen Augenblick vorher das Universum noch ein langweiliges mit Himmelskörpern besetztes Parallelepiped gewesen, so verwandelte es sich am 25. November schlagartig in eine lebendige, bewegliche, elastische Struktur voller Mulden und Ausbuchtungen, Tunnel und Abgründe.

Eine Visualisierung ist schwierig, ja geradezu unmöglich. Kein Mensch, wie intelligent er auch sein mag, ist imstande, sich die vierdimensionale Raumzeit vorzustellen, geschweige denn deren Verformung. Wir können zwar mit Hilfe brillanter Analogien die Existenz einer vierten Dimension, der Dimension der Zeit, erahnen, sie aber sicher nicht vollständig begreifen. Trotz der intuitiven Erkenntnisse Einsteins und der bis heute entwickelten Konzepte ist die Zeit für uns immer noch eine newtonsche vom Raum abgekoppelte Variable, etwas, das mit hoffnungsloser Regelmäßigkeit abläuft, und damit basta. Und nicht nur das. Wir sind auch außerstande, uns gedanklich ein Raumvolumen vorzustellen, das gekrümmt wird. Gut vorstellen können wir uns die Krümmung einer Fläche – wir brauchen uns nur vorzustellen, was passiert, wenn wir eine Metallkugel auf ein gespanntes Tuch legen –, aber mit einer zusätzlichen Raumdimension sind wir bereits überfordert. Einer intuitiven Verbildlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie fehlen deshalb immer zwei Dimensionen, und das gilt für alle, für Einstein wie für jeden von uns.

Abgesehen von ihrem komplizierten mathematischen Formalismus präsentiert die Theorie eine seltsam demokratische Seite: Sie kann tatsächlich von niemandem visualisiert werden. Ihre Veranschaulichung ist immer, unter mehr oder weniger großen Spitzfindigkeiten, mit dem Bild der Metallkugel vergleichbar, die eine Mulde im Tuch erzeugt. Auf die Unterstützung durch die Wahrnehmung – vor allem die visuelle – zu verzichten, ist für die modernen Physiker deshalb längst zur Gewohnheit geworden. Nicht nur die Allgemeine Relativitätstheorie, sondern (sogar in noch höherem Maße) auch die Quantenmechanik verlangen vom Menschen, die Fesseln der Intuition zu lösen, die Augen zu schließen und sich von einem bestimmten Punkt an auf die Mathematik und ihre sorgfältige Interpretation zu verlassen. Eine bestimmte Art von Physik begreift man tatsächlich nicht wirklich, man gewöhnt sich nur an sie. Wären wir winzig klein, würden uns viele der vermeintlichen Spitzfindigkeiten als selbstverständlich, als nachvollziehbar erscheinen, aber dem ist nicht so. Das zwanzigste Jahrhundert hat in vielen Bereichen diesen Übergang zu einer «Wissenschaft des Unsichtbaren» markiert, all dessen, was zu flüchtig, zu klein, zu fern ist, als dass man es anders als mit dem Denken oder durch indirekte Evidenz zu fassen bekommen könnte.

Was alle für die Allgemeine Relativitätstheorie eingenommen hat, war weniger ihre Bedeutung als die Tatsache, dass sie mit einer einzigen Gleichung formuliert wurde, einer sehr eleganten und scheinbar harmlosen Gleichung (dabei handelt es sich nicht um die auf den Postern mit Einstein assoziierte Gleichung E = mc², die mit der Speziellen Relativitätstheorie zu tun hat, sondern um eine andere, exotischere). Physiker lassen sich gern durch eine Formel verführen, die kurz und bündig ist. Aber trotz ihrer Kürze erweist sich Einsteins Gleichung, sobald der arme Physiker sie zu lösen versucht, als furchtbar kompliziert, wie ein Haufen vielköpfiger Giftschlangen. Die Suche nach Lösungen, die immer nur Teillösungen sind, hat nicht nur Physiker, sondern auch Legionen leistungsstärkster Computer bis heute beschäftigt. Und jede gefundene Lösung hat einen neuen Forschungsbereich erschlossen und unser Verständnis des Kosmos revolutioniert.

Es gibt keine andere wissenschaftliche Theorie, die mit einem einzigen Sprung den Menschen in seinem Verständnis der Realität so vorangebracht und ihn zugleich so tief gedemütigt hat. War schon die Entdeckung, dass die Erde nicht im Mittelpunkt von allem steht und die Sonne sich nicht um sie dreht, ein harter Schlag für unsere instinktiven Gewissheiten, so bestätigte die Allgemeine Relativitätstheorie die gänzliche Bedeutungslosigkeit des Menschen, zumindest kosmologisch gesehen. Einstein selbst war mit der Vorstellung eines konstanten, unveränderlichen Universums aufgewachsen. Doch in wenigen Jahrzehnten hat uns die Allgemeine Relativitätstheorie gelehrt, dass das Universum einen mikroskopisch kleinen und dramatischen Ursprung gehabt hat, den Big Bang, und dass es auch ein Ende haben wird, wenn auch noch umstritten ist, was für eins; sie hat uns gelehrt, dass das Universum rings um uns expandiert – «aufgeht wie ein Teig» würde die Vorstellung vielleicht besser wiedergeben –, und zwar mit zunehmender Geschwindigkeit; dass wir nicht nur eine Randposition in unserer Galaxis einnehmen, sondern dass unsere Galaxis nur eine unter unzählig vielen ist; dass die Sterne unterschiedliche und bewegende Schicksale haben und unsere Sonne schließlich zu einem armseligen weißen Zwerg schrumpfen wird; dass wir allesamt um ein schwarzes Loch tanzen, das unersättlich Materie um Materie verschlingt und die Erinnerung an alles vorher Gewesene null und nichtig macht; dass alles, was wir sehen, hören und berühren können, nur vier Prozent dessen ist, was dort draußen wirklich existiert, weshalb wir den Rest Dunkle Materie oder Dunkle Energie nennen und keine Ahnung haben, was zum Teufel das ist.

Gerade wegen ihres dramatischen Charakters wehrte sich Einstein als Erster gegen bestimmte Konsequenzen seiner Theorie. Dass das Universum einen Anfang gehabt haben sollte, erschien ihm absurd, und sein Leben lang betrachtete er die schwarzen Löcher als rein mathematische Hindernisse, die es aus dem Weg zu räumen galt. Kein menschlicher Geist, wie genial auch immer, wäre bereit, eine derartige Menge an Veränderungen auf einmal zu akzeptieren. Für uns dagegen ist es fast ausgeschlossen, beim Gedanken an das Universum nicht dessen explosiven Anfang in Betracht zu ziehen oder uns beim Anblick des nächtlichen Himmels nicht der schwarzen Löcher irgendwo in seiner Tiefe bewusst zu sein. Auch wenn wir uns mit diesen Dingen noch nicht befasst haben, haben sie in irgendeiner Schicht unseres Bewusstseins doch ihre Spuren hinterlassen. Wie jede große Revolution der Wissenschaft ist die Allgemeine Relativitätstheorie auch ein gewaltiges kollektives Trauma gewesen, und es wäre heute vielleicht der Mühe wert zu untersuchen, wie sie unser Dasein und unser Selbstvertrauen beeinflusst hat.

Aller Wahrscheinlichkeit nach hat diese Theorie auch mehr Missverständnisse hervorgerufen als jede andere. Ihr Name, Theorie der «Allgemeinen Relativität», hat viele zu der voreiligen und oberflächlichen Schlussfolgerung verleitet, alles sei «relativ». Hans Reichenbach machte den Physiker mit dafür verantwortlich und betonte, dass er durch seine Entdeckung zu «einem indirekten Philosophen» geworden sei, auch wenn er diese Rolle sein Leben lang zurückgewiesen habe. «Das ist seine Stärke und seine Schwäche: seine Stärke, weil sie seine Physik so schlüssig macht, und seine Schwäche, weil er seiner Theorie die Tür zu Missverständnissen und irrtümlichen Auslegungen öffnete.» Denkt man über Einsteins Grundannahme nach, dass die Naturgesetze überall gleich gültig sein müssen, unabhängig davon, von wo aus man sie beobachtet, dann ist tatsächlich leicht zu verstehen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie allenfalls das Gegenteil ihrer schlechten Vulgärversion behauptet.

Ebenso verfehlt ist es, Einsteins Unterfangen als Ausdruck der Überlegenheit des reinen, theoretischen Denkens gegenüber der experimentellen Wissenschaft zu sehen. Das zeigt schon die Tatsache, dass alle seine intuitiven Erkenntnisse von tatsächlichen, wenn auch nur in Gedanken durchgeführten Experimenten ausgingen. Einstein, der Inbegriff des die konkrete Wirklichkeit dominierenden Verstandes, war paradoxerweise ein Physiker, der durch und durch der Empirie verpflichtet war. Von Anfang an suchte er Beweise zu finden, die seine Theorie bestätigten.

Der erste lag bereits vor: Man wusste schon lange, dass die Umlaufbahn des Merkur um die Sonne sich anomal verhielt, zumindest gemessen an Newtons Gravitationsgesetz. Um die Abweichungen in seinem Orbit zu erklären, hatte man sogar die Existenz eines zusätzlichen Planeten, des Vulcanus, in unserem Sonnensystem angenommen, nur leider gelang es niemandem, ihn zu sehen. Die Anomalie war, wie man entdeckte, ein bloßer Effekt der Relativität.

Die überwältigende Evidenz stellte sich 1919 ein, als Arthur Eddington eine Expedition auf die Insel Principe im Golf von Guinea unternahm und dort während einer totalen Sonnenfinsternis die Ablenkung der Lichtstrahlen fotografieren konnte, die Art und Weise, wie das von den Sternen ausgehende Signal, durch das Gravitationsfeld rund um die Sonne gekrümmt, zu uns gelangt.

Doch es gibt Aspekte der Theorie, die noch hundert Jahre nach ihrer Entdeckung auf eine Bewertung warten. Wenn die Allgemeine Relativitätstheorie, so wie Einstein sie formuliert hat, richtig ist, dann muss es im Kosmos «Gravitationswellen» geben. Und wieder stößt das Gehirn an eine innere Grenze bei dem Versuch, diese Wellen, die sich in der vierdimensionalen Raumzeit bewegen und sie in Unruhe versetzen, zu veranschaulichen, und wieder sucht man Zuflucht bei der auf das Spanntuch gelegten Kugel: Lasst die Kugel aus einer geringen Höhe fallen und sie wird die Tuchoberfläche kräuseln. Man nimmt an, dass Gravitationswellen, die durch Katastrophenereignisse wie die Verschmelzung zweier schwarzer Löcher entstanden sind, uns fortwährend durchqueren und dabei verformen, aber ihre Auswirkungen sind so gering, dass sie uns immer entgangen sind. «Die Raumzeit wiederum gleicht weniger einem Teich, sondern eher einer unglaublich dichten Schicht aus Stahl, die selbst bei den härtesten Stößen kaum merklich zittert» (Pedro G. Ferreira).

Mittlerweile haben schon einige Generationen experimenteller Physiker ihr Leben der frustrierenden Erfahrung gewidmet, dass es ihnen nicht gelingt, die Gravitationswellen nachzuweisen. Von Josef Webers dicken aufgehängten Metallzylindern ging man über zu immer feineren Messungen, zur sorgfältigen Untersuchung von Doppelsternen an den entferntesten Rändern des Universums bis hin zur Konzeption des kühnsten Experiments, das die Menschheit je ersonnen hat, in mancher Hinsicht kühner als der heutige Teilchenbeschleuniger des CERN. Die Erfinder des Laser Interferometer Space Antenna Project, kurz LISA, schlugen vor, drei Satelliten auf die Umlaufbahn um die Sonne zu schicken, die ein virtuelles Dreieck mit einer Seitenlänge von je fünf Millionen Kilometern zeichnen und untereinander mit Laserstrahlen und Spiegeln kommunizieren sollten. Die Gravitationswellen würden beim Durchqueren der Laserstrahlen deren Bahnen krümmen und damit ihre Interferenzspektren leicht modifizieren. Doch abgeschreckt durch die exorbitanten Kosten des Unternehmens haben sich die Vereinigten Staaten zurückgezogen, und LISA wurde auf ihre europäische Version, eLISA, reduziert, mit Dreiecksschenkeln von «nur» einer Million Kilometern, deren Start für 2034 vorgesehen ist.

Nachdem das zwanzigste Jahrhundert uns allen Glanz und Schrecken der Atomphysik vorgeführt hat, so versichert Pedro G. Ferreira in seinem Buch «Die perfekte Theorie», werde unser Jahrhundert das Jahrhundert der Allgemeinen Relativitätstheorie sein. Wenn das stimmt, sind wir mit lauter Fragen hineingegangen. Die wichtigste ist die nach der Möglichkeit, wie sich die Gravitation mit den anderen grundlegenden Wechselwirkungen der Natur zu einem einzigen Gesamtbild vereinigen lässt, ein Problem, dem schon Einstein fruchtlose Jahrzehnte seines Lebens gewidmet hat und das die theoretische Physik in einem ihrer längsten Engpässe festhält, die sie je erlebt hat, einem Engpass, aus dem jedoch mittlerweile, wie es sowohl in der Wissenschaft als auch in der Kunst gelegentlich vorkommt, kühne und unerwartete Nebentheorien hervorgegangen sind: die String-Theorie, die Quantengravitation und die Hypothese, derzufolge unser Universum nur ein kleiner Auswuchs eines unermesslich viel weiter ausgedehnten und komplexeren Kosmos ist.

Wahrscheinlich hätte Einstein als zutiefst konservativer Erneuerer, der er war, den größten Teil dieser Annahmen verächtlich beiseitegewischt. Die Geschichte lehrt, dass er sich damit häufig irrte. Für uns, die wir uns um die Strenge der Gleichungen nicht zu kümmern brauchen, ist das unerheblich. Wir können die Allgemeine Relativitätstheorie und ihre extremsten Konstrukte als tiefgründige, gewaltige Vision bewundern und uns dazu beglückwünschen, dass der menschliche Verstand durch die Leistung eines Mannes und all derjenigen, die ihm gefolgt sind, ein so wesentliches Naturgeheimnis zu erfassen gewusst hat. Und vielleicht können wir uns endlich einmal freuen, in einer Zeit zu leben, die sich zumindest durch eines auszeichnet: Noch nie war der Kosmos, der uns umgibt, so turbulent, so weit und so groß.

 

Aus dem Italienischen von Sigrid Vagt

Quellen der Zitate:

– Internet, Personenlexikon.net

– A. Einstein, Autobiographisches, in: Paul Arthur Schilpp, Albert Einstein als Philosoph und Naturforscher, Wiesbaden 1983

– Richard Philipp Feynman, Elektromagnetismus und Struktur der Materie, 2007, dt. v. M. Mitter

– Hans Reichenbach, Die philosophische Bedeutung der Relativitätstheorie, in: Gesammelte Werke, Bd. III

– Pedro G. Ferreira, Die perfekte Theorie, München 2014, dt. v. N. Juraschitz u. F. Pflüger              

 

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