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Alles ist relativ

Der Geniestreich des Jahrhunderts

von Christian Speicher / 28.11.2015

Mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie setzte sich Albert Einstein vor 100 Jahren über alle Konventionen hinweg. Vor den kosmologischen Konsequenzen seiner Theorie schreckte aber selbst er zurück. NZZ-Redakteur Christian Speicher über den Geniestreich des Jahrhunderts.

Fragt man Laien, was sie mit Albert Einstein verbinden, lautet die Antwort wohl in den meisten Fällen E = mc2. Die berühmte Formel ist zum Aushängeschild eines kultisch verehrten Wissenschaftlers geworden, den das Time-Magazin im Jahr 1999 zur wichtigsten Person des 20. Jahrhunderts gekürt hatte.

Dass Masse und Energie dasselbe sind, ist eine Konsequenz der speziellen Relativitätstheorie. Mit dieser Theorie räumte Einstein im Jahr 1905 mit der tief verwurzelten Vorstellung auf, dass Raum und Zeit absolut und wesensfremd sind. Er erkannte, dass Raum und Zeit zu einem vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum verschmolzen sind. Wie wir Raum und Zeit wahrnehmen, hängt davon ab, wie wir uns bewegen. So können zwei Ereignisse, die für den einen Beobachter gleichzeitig sind, aus der Warte eines relativ dazu bewegten Beobachters zu verschiedenen Zeitpunkten stattfinden.

Der Stein des Anstoßes

Das war revolutionär – für Einsteins Geschmack allerdings nicht revolutionär genug. Auf das „Gesellenstück“ ließ er 1915 sein Meisterwerk folgen, die allgemeine Relativitätstheorie. Anders als die Quantentheorie und die spezielle Relativitätstheorie habe die allgemeine Relativitätstheorie nicht in der Luft gelegen, sagte der Physiker Domenico Giulini von der Universität Hannover kürzlich auf einem Einstein-Symposium an der ETH Zürich. Sie sei der Idee eines Einzelnen entsprungen. Er wisse nicht, wer das sonst so hätte machen können wie Einstein. Der Physiker Max Born sollte die allgemeine Relativitätstheorie 1955 als „die erstaunlichste Vereinigung von philosophischer Tiefe, physikalischer Intuition und mathematischer Kunst“ bezeichnen. Er bewundere sie wie ein Kunstwerk.

Leonhard Rothmoser (3)

Dass sich Einstein mit der speziellen Relativitätstheorie nicht zufriedengab, hatte vor allem einen Grund: Diese Theorie stand auf Kriegsfuß mit der Gravitation. Seit Newton galt die Gravitation als eine Kraft, die unmittelbar wirkt – und zwar unabhängig davon, wie weit zwei Körper voneinander entfernt sind. Das aber verstieß gegen ein zentrales Postulat der speziellen Relativitätstheorie, wonach sich keine Wirkung schneller ausbreiten kann als Licht.

Der rettende Gedanke kam Einstein im Jahr 1907, als er noch im Patentamt in Bern arbeitete. Er erkannte, dass man im freien Fall schwerelos ist. Als er diesen „glücklichsten Gedanken seines Lebens“ weiterspann, wurde ihm klar, dass Gravitation und Beschleunigung letztlich äquivalent sind. Das ließ die Gravitation in einem völlig neuen Licht erscheinen. Danach folgten Jahre harter Arbeit, die Einstein später so beschrieb: „Die Kette meiner Gravitationsarbeiten ist eine Kette von Irrwegen, die aber doch allmählich dem Ziel näher führten.“ Im Jahr 1915 gelang es ihm schließlich, Gleichungen abzuleiten, die die Gravitation mit der Geometrie von Raum und Zeit verknüpften. Damit schuf er eine Theorie der Gravitation, die ganz anders war als die Newtonsche Gravitationstheorie. Raum und Zeit sind in dieser Theorie keine starre Bühne mehr, vor deren Hintergrund sich das Weltgeschehen entfaltet. Stattdessen greifen sie aktiv in den Lauf der Dinge ein und werden ihrerseits verändert. Die Gravitationskraft ist nun keine Kraft im herkömmlichen Sinne mehr. Der Apfel fällt nicht vom Baum, weil die Erde an ihm „zieht“. Wie eine Murmel, die auf unebenem Gelände in eine Mulde rollt, folgt der Apfel vielmehr einer vorgezeichneten Bahn in der von der Erde gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit. Der Physiker John Archibald Wheeler brachte die Essenz der Einsteinschen Gravitationstheorie einmal folgendermaßen auf den Punkt: „Der Raum sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll, und die Materie sagt dem Raum, wie er sich krümmen soll.“

Die Tatsache, dass Raum und Zeit nun aktive Mitspieler im Weltgeschehen waren, hatte weitreichende Konsequenzen. So konnte Einstein aus seinen Gleichungen ableiten, dass ein Lichtstrahl im Schwerefeld der Sonne doppelt so stark abgelenkt werden sollte wie von der Newtonschen Gravitationstheorie vorhergesagt. Als diese Vorhersage 1919 während einer Sonnenfinsternis bestätigt wurde, konnte sich Einstein vor Ehrbezeugungen kaum mehr retten. Sein Name wurde nun in einem Atemzug mit Berühmtheiten wie Kopernikus, Kepler und Newton genannt. Die Massen lagen ihm zu Füßen. In Scharen strömten sie in seine Vorlesungen, um den Mann zu erleben, der das Weltbild Newtons quasi im Alleingang aus den Angeln gehoben hatte.

Eine Tollheit ersten Ranges

Trotz angeschlagener Gesundheit und den immer deutlicher spürbaren Folgen des Ersten Weltkrieges war Einstein nach der Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie nicht untätig geblieben. Im Februar 1917 schrieb er in einem Brief an seinen Freund Paul Ehrenfest: „Ich habe wieder etwas verbrochen in der Gravitationstheorie, was mich ein wenig in Gefahr bringt, in einem Tollhaus interniert zu werden.“ Die Tollheit bestand darin, dass Einstein seine Gravitationstheorie auf das Universum als Ganzes angewendet hatte. Damit schuf er das erste quantitative Modell des Weltalls. Auch wenn sein Modell heute überholt ist, legte er damit den Grundstein zur modernen Kosmologie.

Um die Lösung der Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie zu vereinfachen, machte Einstein die Annahme, dass die Materie im Universum im Großen und Ganzen gleichmäßig verteilt ist. Zudem forderte er, dass das Universum statisch (also zeitlich unveränderlich) sein soll. Angesichts der kleinen Geschwindigkeiten der Sterne in der Milchstrasse schien das eine vernünftige Annahme zu sein. Allerdings stieß Einstein auf eine unerwartete Schwierigkeit. In ihrer ursprünglichen Form ließen die Feldgleichungen keine statische Lösung zu. Hätte er ihnen voll und ganz vertraut, hätte er damals schon feststellen können, dass das Universum sich ausdehnen muss.

Stattdessen griff Einstein zu einem formalen Trick, den er später zutiefst bereuen sollte. Er erweiterte die Feldgleichungen um eine kosmologische Konstante, die formal wie eine Gegenkraft zur Gravitation wirkte. Auf diese Weise konnte Einstein ein zeitloses, in sich geschlossenes Universum erzwingen. So wie die Oberfläche einer Kugel keinen Rand besitzt, hat der gekrümmte Raum im Einsteinschen Universum weder Anfang noch Ende. Würde man einen Lichtstrahl in die eine Richtung losschicken, käme er irgendwann aus der entgegengesetzten Richtung zum Ausgangspunkt zurück.

Richtig glücklich war Einstein über die kosmologische Konstante nicht. Am Schluss der Arbeit betonte er, dass die Erweiterung der Feldgleichungen durch unser tatsächliches Wissen von der Gravitation nicht gerechtfertigt sei. Trotzdem verteidigte er seinen Kunstgriff zunächst hartnäckig. Auch als in den 1920er Jahren die ersten Modelle eines expandierenden Universums auftauchten, hielt Einstein zunächst an seinem statischen Weltmodell fest. Die dynamischen Lösungen der Feldgleichungen fand er „formell in Ordnung, aber physikalisch abscheulich“.

Das expandierende Universum

Erst im Lichte neuer astronomischer Beobachtungen begann Einstein seine Meinung zu revidieren. Viele Astronomen waren Anfang der 1920er Jahre der Ansicht, das Weltall ende mit der Milchstraße. Es gab allerdings Forscher, die das anders sahen. So wurde heftig darüber debattiert, ob die sogenannten Spiralnebel – kleine neblige Flecken am Himmel mit Spiralstruktur – Teil der Milchstraße sind oder eigenständige Spiralgalaxien wie die Milchstraße. Die Frage wurde im Jahr 1924 vom amerikanischen Astronomen Edwin Hubble beantwortet. Er erkannte durch Distanzmessungen, dass die Spiralnebel viel zu weit weg sind, um zur Milchstraße gehören zu können. Es musste sich also um eigenständige Welteninseln handeln.

Das alleine wäre noch kein Argument gegen ein statisches Universum gewesen. Andere Beobachtungen deuteten jedoch darauf hin, dass sich die Spiralnebel von uns wegbewegen. Es war der belgische Theologe und Astrophysiker Georges Lemaître, der daraus im Jahr 1927 den Schluss zog, dass das Universum expandiert wie ein aufgehender Kuchenteig. In den darauffolgenden Jahren gelangte er zur Überzeugung, dass das Universum in einem gewaltigen Feuerwerk aus einem Uratom hervorgegangen sein muss. Damit nahm Lemaître vorweg, was später als Urknalltheorie bezeichnet werden sollte. Auch Einstein war von dieser Vorstellung sehr angetan. Nach einem Vortrag, den Lemaître 1933 in Kalifornien gehalten hatte, erhob er sich und gratulierte seinem Kollegen mit den Worten: „Das ist die schönste und befriedigendste Erklärung der Schöpfung, die ich je gehört habe.“

Als klar war, dass das Universum nicht statisch ist, sondern expandiert, gab es für die kosmologische Konstante keine Notwendigkeit mehr. Im Jahr 1931 verabschiedete sich Einstein endgültig von ihr und kehrte zu den Feldgleichungen in ihrer ursprünglichen Form zurück.

Die dunkle Materie

Es ist eine Ironie der Geschichte, dass die kosmologische Konstante heute wieder hochaktuell ist. Der Grund dafür sind Beobachtungen, die Astronomen Ende der 1990er Jahre gemacht haben. Demnach scheint sich die Expansion des Universums nicht zu verlangsamen, wie man es unter dem Einfluss der anziehenden Gravitationskraft eigentlich erwarten würde. Vielmehr dehnt es sich seit einigen Milliarden Jahren immer schneller aus.

Die meisten Kosmologen sehen darin einen Beleg dafür, dass es im Universum neben der gewöhnlichen Materie bisher unbekannte „dunkle“ Materie- und Energieformen geben muss. Ohne die sei im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie keine konsistente Beschreibung des Universums möglich, führte die Kosmologin Ruth Durrer von der Universität Genf am Einstein-Symposium aus. Hinter der dunklen Energie könnte sich zum Beispiel eine dem leeren Raum innewohnende Energie verbergen. Formal hätte diese Energie den gleichen Effekt wie die kosmologische Konstante Einsteins: Sie wirkt der anziehenden Gravitationskraft entgegen und kann so der Expansion des Universums zusätzlichen Wind einhauchen. Alle Versuche, die Energie des Vakuums im Rahmen des gängigen Modells der Teilchenphysik zu berechnen, sind bisher allerdings kläglich gescheitert.

Der radikale Schritt

Deshalb muss man auch eine andere Option ins Auge fassen. Die beschleunigte Expansion des Universums könnte ein Fingerzeig sein, dass nicht die Teilchenphysik modifiziert werden muss, sondern die Einsteinsche Gravitationstheorie. Ob dieser radikale Schritt notwendig ist, sollen zukünftige Beobachtungen zeigen. Indem man rekonstruiert, wie schnell sich große Strukturen im Universum gebildet haben, sollte es erstmals möglich werden, die Einsteinsche Gravitationstheorie auf kosmologischen Skalen zu überprüfen.

Einstein selbst hätte mit einer Modifikation seiner Theorie wohl weniger Probleme gehabt als viele seiner Epigonen. In einem Brief an den Mathematiker Felix Klein schrieb er im Jahr 1917: „Aber ich zweifele nicht, dass einmal der Tag kommen wird, an dem auch diese Auffassung einer prinzipiell anderen wird weichen müssen, aus Gründen, die wir heute noch nicht ahnen. Ich glaube, dass dieser Prozess der Vertiefung der Theorie keine Grenzen hat.“