Relativitätstheorie damals und heute

"Ich bin erschöpft. Aber der Erfolg ist großartig."

Verwandte Inhalte

• Der Mathematiker Emmy Noether sollte dein Held sein

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

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

Zu dieser Zeit wurde das Summen der allgemeinen Relativitätstheorie nur von einer Denkerschar am Rande der esoterischen Physik gehört. In den vergangenen Jahrhunderten wurde Einsteins Idee zum Knotenpunkt für eine Vielzahl von grundlegenden Themen, einschließlich des Ursprungs des Universums, der Struktur der Schwarzen Löcher und der Vereinheitlichung der Naturkräfte, und die Theorie wurde auch für anwendungsorientiertere Aufgaben genutzt B. nach extrasolaren Planeten suchen, die Masse ferner Galaxien bestimmen und sogar die Flugbahnen abtrünniger Autofahrer und ballistischer Raketen steuern. Die Allgemeine Relativitätstheorie, einst eine exotische Beschreibung der Schwerkraft, ist heute ein leistungsfähiges Forschungsinstrument.

Die Suche nach der Schwerkraft begann lange vor Einstein. Während der Plage, die von 1665 bis 1666 Europa heimgesucht hatte, zog sich Isaac Newton von seinem Posten an der Universität von Cambridge zurück, flüchtete in das Haus seiner Familie in Lincolnshire und erkannte in seinen faulen Stunden, dass jedes Objekt, ob auf der Erde oder am Himmel zieht mit einer Kraft aneinander, 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 Steinen bis hin zu umlaufenden Planeten, dass Newton das letzte Wort über die Schwerkraft geschrieben zu haben schien. Aber er hatte nicht. Und Einstein war der erste, der sich dessen sicher wurde.

**********

1905 entdeckte Einstein die spezielle Relativitätstheorie und begründete den berühmten Spruch, dass nichts - kein Objekt oder Signal - sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann. Und darin liegt die Reibung. Wenn Sie die Sonne wie ein kosmisches Maraca schütteln, wird die Erde nach Newtons Gesetz auch durch die Schwerkraft sofort beben. Das heißt, Newtons Formel impliziert, dass die Schwerkraft ihren Einfluss augenblicklich von einem Ort zum anderen ausübt. Das ist nicht nur schneller als Licht, es ist unendlich.

Relativitätstheorie: Die Spezielle und die Allgemeine Theorie

Diese anlässlich des 100. Jahrestages der allgemeinen Relativitätstheorie herausgegebene, ansehnliche Ausgabe von Einsteins berühmtem Buch stellt das Werk in einen historischen und intellektuellen Kontext und bietet einen unschätzbaren Einblick in einen der größten wissenschaftlichen Köpfe aller Zeiten.

Einstein würde nichts davon haben. Es muss mit Sicherheit eine genauere Beschreibung der Schwerkraft geben, bei der Gravitationseinflüsse dem Licht nicht entgehen. Einstein widmete sich der Suche. Und dazu müsste er eine scheinbar grundlegende Frage beantworten: Wie funktioniert die Schwerkraft? Wie erreicht die Sonne eine Reichweite von 150 Millionen Kilometern und übt eine Anziehungskraft auf die Erde aus? Für die bekannteren Züge der Alltagserfahrung - Öffnen einer Tür, Entkorken einer Weinflasche - ist der Mechanismus offensichtlich: Es besteht ein direkter Kontakt zwischen Ihrer Hand und dem Gegenstand, der den Zug erfährt. Aber wenn die Sonne auf die Erde zieht, wird dieser Zug über den Raum ausgeübt - den leeren Raum. Es besteht kein direkter Kontakt. Welche unsichtbare Hand führt also die Ausschreibung der Schwerkraft aus?

Newton selbst fand diese Frage zutiefst rätselhaft und erklärte, dass sein eigenes Versagen, den Einfluss der Schwerkraft zu bestimmen, dazu geführt habe, dass seine Theorie, so erfolgreich ihre Vorhersagen auch sein mögen, mit Sicherheit unvollständig gewesen sei. 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 daran zu arbeiten, diese Frage zu beantworten. bis 1912 war es seine ganztägige Besessenheit geworden. Und innerhalb dieser wenigen Jahre gelang Einstein ein ebenso einfacher wie herausfordernder begrifflicher Durchbruch: Wenn zwischen Sonne und Erde nichts als ein leerer Raum ist, muss ihre gegenseitige Anziehungskraft durch den Raum ausgeübt werden selbst. Aber wie?

Einsteins Antwort, schön und mysteriös zugleich, ist, dass Materie wie die Sonne und die Erde dazu führen, dass sich der Raum um sie herum krümmt, und die daraus resultierende verzerrte Form des Raums beeinflusst die Bewegung anderer Körper, die vorbeiziehen.

Hier ist eine Möglichkeit, darüber nachzudenken. Stellen Sie sich die gerade Flugbahn vor, gefolgt von einem Marmor, den Sie auf einem flachen Holzboden gerollt haben. Stellen Sie sich nun vor, Sie rollen den Marmor auf einem Holzboden, der durch eine Flut verformt und verdreht wurde. Der Marmor wird nicht der gleichen geraden Bahn folgen, da er durch die geschwungenen Konturen des Bodens auf und ab gestoßen wird. Ähnlich wie mit dem Boden, so mit dem Raum. Einstein stellte sich vor, dass die gekrümmten Konturen des Weltraums einen Baseball anstoßen würden, um seinem vertrauten parabolischen Pfad zu folgen und die Erde zu überreden, an ihrer üblichen elliptischen Umlaufbahn festzuhalten.

Es war ein atemberaubender Sprung. Bis dahin war der Raum ein abstrakter Begriff, eine Art kosmischer Container, keine greifbare Einheit, die Veränderungen bewirken könnte. Tatsächlich war der Sprung noch größer. Einstein erkannte, dass sich die Zeit auch verziehen konnte. Intuitiv stellen wir uns alle vor, dass Uhren, unabhängig davon, wo sie sich befinden, mit derselben Geschwindigkeit ticken. Aber Einstein schlug vor, dass die näheren Uhren einem massereichen Körper wie der Erde näher sind, je langsamer sie ticken, was einen verblüffenden Einfluss der Schwerkraft auf den Lauf der Zeit widerspiegelt. Und so wie eine räumliche Verzerrung die Flugbahn eines Objekts stoßen kann, so auch zeitlich: Einsteins Mathematik legte nahe, dass Objekte an Orte gezogen werden, an denen die Zeit langsamer abläuft.

Dennoch reichte Einsteins radikale Neugestaltung 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 genau beschreibt. Selbst für Albert Einstein war dies eine enorme Herausforderung. Im Jahr 1912 schrieb er im Kampf um die Formulierung der Gleichungen an einen Kollegen: „Noch nie in meinem Leben habe ich mich so gequält.“ Doch nur ein Jahr später, als er in Zürich mit seinem mathematisch abgestimmten Kollegen Marcel Grossmann arbeitete, Einstein kam der Antwort quälend nahe. Einstein nutzte die Ergebnisse aus der Mitte des 19. Jahrhunderts, die die geometrische Sprache für die Beschreibung gekrümmter Formen darstellten, und schuf eine völlig neue, jedoch völlig strenge Neuformulierung der Schwerkraft in Bezug auf die Geometrie von Raum und Zeit.

Aber dann schien alles zusammenzubrechen. Bei der Untersuchung seiner neuen Gleichungen ist Einstein ein schicksalhafter technischer Fehler unterlaufen, der ihn zu der Annahme veranlasste, dass sein Vorschlag alle Arten alltäglicher Bewegungen nicht korrekt beschreibt. Zwei lange, frustrierende Jahre lang versuchte Einstein verzweifelt, das Problem zu beheben, aber es funktionierte nichts.

Einstein, hartnäckig wie sie kommen, blieb unbeirrt, und im Herbst 1915 sah er endlich den Weg nach vorne. Zu diesem Zeitpunkt war er Professor in Berlin und in die Preußische Akademie der Wissenschaften aufgenommen worden. Trotzdem hatte er Zeit in seinen Händen. Seine entfremdete Frau, Mileva Maric, akzeptierte schließlich, dass ihr Leben mit Einstein vorbei war, und war mit ihren beiden Söhnen zurück nach Zürich gezogen. Obwohl die zunehmend angespannten familiären Beziehungen Einstein schwer belasteten, erlaubte ihm das Arrangement auch, seinen mathematischen Vermutungen Tag und Nacht ungestört in der ruhigen Einsamkeit seiner kargen Berliner Wohnung zu folgen.

Im November trug diese Freiheit Früchte. Einstein korrigierte seinen früheren Fehler und machte sich auf den Weg zur allgemeinen Relativitätstheorie. Aber als er intensiv an den feinen mathematischen Details arbeitete, wurden die Bedingungen unerwartet tückisch. Ein paar Monate zuvor hatte sich Einstein mit dem renommierten deutschen Mathematiker David Hilbert getroffen und all seine Gedanken über seine neue Gravitationstheorie geteilt. Anscheinend hatte Einstein zu seiner Bestürzung erfahren, dass das Treffen Hilberts Interesse so geweckt hatte, dass er nun Einstein bis zur Ziellinie raste.

Eine Reihe von Postkarten und Briefen, die die beiden im November 1915 ausgetauscht haben, dokumentieren eine herzliche, aber intensive Rivalität, die sich jeweils mit den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie befasste. Hilbert hielt es für ein faires Spiel, eine vielversprechende, aber noch unvollendete Theorie der Schwerkraft zu eröffnen. Einstein hielt es für schrecklich schlecht, dass Hilbert auf seiner Solo-Expedition in der Nähe des Gipfels mitmischte. Einstein erkannte ängstlich, dass Hilberts tiefere mathematische Reserven eine ernsthafte Bedrohung darstellten. Trotz seiner jahrelangen harten Arbeit könnte Einstein geschöpft werden.

Die Sorge war begründet. Am Samstag, den 13. November, erhielt Einstein eine Einladung von Hilbert, sich ihm am folgenden Dienstag in Göttingen anzuschließen, um die „Lösung Ihres großen Problems“ „sehr detailliert“ zu lernen. Einstein warf sich vor. „Ich muss für den Moment auf eine Reise nach Göttingen verzichten und muss lieber geduldig warten, bis ich Ihr System anhand des gedruckten Artikels studieren kann. denn ich bin müde und leide unter Magenschmerzen. “

Doch an diesem Donnerstag, als Einstein seine Post öffnete, wurde er mit Hilberts Manuskript konfrontiert. Einstein schrieb sofort zurück, ohne seine Verärgerung zu verschleiern: „Das von Ihnen eingerichtete System stimmt - soweit ich sehen kann - genau mit dem überein, was ich in den letzten Wochen gefunden und der Akademie vorgestellt habe.“ Einstein vertraute seinem Freund Heinrich Zangger an "Nach meiner persönlichen Erfahrung habe ich das Elend der menschlichen Spezies nicht besser gelernt als bei Gelegenheit dieser Theorie ..."

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

Niemand weiß, was in dieser letzten Woche passiert ist. Hat sich Einstein die endgültigen Gleichungen selbst ausgedacht oder hat Hilberts Arbeit ungebetenen Beistand geleistet? Enthielt Hilberts Entwurf die richtige Form der Gleichungen oder fügte Hilbert diese Gleichungen, inspiriert von Einsteins Arbeit, später in die Version des Papiers ein, das Hilbert Monate später veröffentlichte? Die Intrige vertieft sich erst, als wir erfahren, dass ein wichtiger Abschnitt der Seitenabzüge für Hilberts Papier, der die Fragen möglicherweise geklärt hat, buchstäblich weggeschnitten wurde.

Am Ende hat Hilbert das Richtige getan. Er räumte ein, dass die allgemeine Relativitätstheorie Einstein zu Recht zugeschrieben werden sollte, was auch immer seine Rolle bei der Katalyse der endgültigen Gleichungen gewesen sein mag. Und so ist es auch. Hilbert hat sich ebenfalls verdient gemacht, da eine technische, aber besonders nützliche Art, die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie auszudrücken, die Namen beider Männer trägt.

Natürlich wäre der Kredit nur dann wert, wenn die allgemeine Relativitätstheorie durch Beobachtungen bestätigt würde. Bemerkenswerterweise konnte Einstein sehen, wie das gemacht werden konnte.

**********

Die allgemeine Relativitätstheorie prognostizierte, dass von fernen Sternen emittierte Lichtstrahlen sich entlang gekrümmter Bahnen bewegen würden, wenn sie auf dem Weg zur Erde durch die verzogene Region in der Nähe der Sonne wanderten. Einstein benutzte die neuen Gleichungen, um dies zu präzisieren - er berechnete die mathematische Form dieser gekrümmten Bahnen. Um die Vorhersage zu testen, müssten Astronomen entfernte Sterne sehen, während die Sonne im Vordergrund steht. Dies ist nur möglich, wenn der Mond das Sonnenlicht während einer Sonnenfinsternis ausblendet.

Die nächste Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919 wäre somit der Beweisgrund für die allgemeine Relativitätstheorie. Teams britischer Astronomen, angeführt von Sir Arthur Eddington, hatten sich an zwei Orten niedergelassen, die eine totale Sonnenfinsternis erlebten - im brasilianischen Sobral und auf Príncipe vor der Westküste Afrikas. Um den Herausforderungen des Wetters zu begegnen, nahm jedes Team eine Reihe von Fototafeln mit fernen Sternen auf, die vorübergehend sichtbar waren, als der Mond über der Sonne schwebte.

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

Zeitungen auf der ganzen Welt nahmen die Geschichte auf, und atemlose Schlagzeilen proklamierten Einsteins Triumph und katapultierten ihn praktisch über Nacht zu einer weltweiten Sensation. Inmitten all der Aufregung fragte eine junge Studentin, Ilse Rosenthal-Schneider, Einstein, was er gedacht hätte, wenn die Beobachtungen nicht mit der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmten. Einstein antwortete mit charmanter Tapferkeit: "Es hätte mir leid getan für den lieben Herrn, weil die Theorie richtig ist."

In der Tat hat es in den Jahrzehnten seit den Messungen der Sonnenfinsternis eine Vielzahl weiterer Beobachtungen und Experimente gegeben, von denen einige noch andauern und die zu einem grundsoliden Vertrauen in die allgemeine Relativitätstheorie geführt haben. Einer der beeindruckendsten ist ein fast 50-jähriger Beobachtungstest, der zu den am längsten laufenden Projekten der NASA gehört. Die allgemeine Relativitätstheorie behauptet, dass ein Körper wie die Erde, der sich um seine Achse dreht, den Raum in einem Wirbel herumschleppen sollte, ähnlich einem sich drehenden Kieselstein in einem Eimer Melasse. Anfang der 1960er Jahre entwickelten die Stanford-Physiker ein Schema, um die Vorhersage zu testen: Starten Sie vier ultrapräzise Gyroskope in die erdnahe Umlaufbahn und suchen Sie nach winzigen Verschiebungen in der Ausrichtung der Achsen der Gyroskope, die nach der Theorie verursacht werden sollten durch den wirbelnden Raum.

Es dauerte eine Generation von wissenschaftlichen Anstrengungen, um die erforderliche gyroskopische Technologie und dann jahrelange Datenanalyse zu entwickeln, um unter anderem ein unglückliches Wackeln der im Weltraum aufgenommenen Gyroskope zu überwinden. Im Jahr 2011 gab das Team hinter der Gravitationssonde B, wie das Projekt genannt wird, bekannt, dass das ein halbes Jahrhundert dauernde Experiment zu einem erfolgreichen Abschluss gekommen war: Die Achsen der Gyroskope drehten sich um den Betrag, den Einsteins Mathematik vorhergesagt hatte.

Es gibt ein verbleibendes Experiment, das derzeit mehr als 20 Jahre dauert und das viele als endgültige Prüfung der allgemeinen Relativitätstheorie betrachten. Nach der Theorie erzeugen zwei kollidierende Objekte, seien es Sterne oder Schwarze Löcher, Wellen im Raum, so wie zwei kollidierende Boote auf einem ansonsten ruhigen See Wellen aus Wasser erzeugen. Und wenn sich solche Gravitationswellen nach außen ausbreiten, wird sich der Raum ausdehnen und zusammenziehen, ähnlich wie ein Teigball, der abwechselnd gedehnt und zusammengedrückt wird.

Anfang der neunziger Jahre initiierte ein Team von Wissenschaftlern des MIT und von Caltech ein Forschungsprogramm zum Nachweis von Gravitationswellen. Die Herausforderung, und es ist eine große, ist, dass, wenn eine turbulente astrophysikalische Begegnung in weiter Ferne stattfindet, sich die sich ergebenden räumlichen Wellen bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie von der Erde gespült werden, so weit ausgebreitet haben, dass sie fantastisch verdünnt werden und möglicherweise den Raum dadurch dehnen und komprimieren nur ein Bruchteil eines Atomkerns.

Trotzdem haben Forscher eine Technologie entwickelt, die möglicherweise die winzigen verräterischen Anzeichen einer Welligkeit im Raum erkennen kann, wenn er über die Erde rollt. Im Jahr 2001 wurden in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) zwei vier Kilometer lange L-förmige Geräte eingesetzt, die zusammen als LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) bekannt sind. Die Strategie ist, dass eine vorbeiziehende Gravitationswelle die beiden Arme jedes L abwechselnd streckt und zusammendrückt und einen Abdruck auf dem Laserlicht hinterlässt, das auf jedem Arm auf und ab rast.

Im Jahr 2010 wurde LIGO stillgelegt, bevor Gravitationswellensignaturen festgestellt wurden - dem Gerät fehlte mit ziemlicher Sicherheit die Empfindlichkeit, um die winzigen Zuckungen aufzuzeichnen, die durch eine Gravitationswelle verursacht wurden, die die Erde erreichte. Jetzt wird jedoch eine erweiterte Version von LIGO implementiert, die voraussichtlich zehnmal so empfindlich sein wird. Die Forscher gehen davon aus, dass die Erkennung von Welligkeiten im Weltraum, die durch kosmische Störungen in der Ferne verursacht werden, in wenigen Jahren an der Tagesordnung sein wird.

Der Erfolg wäre aufregend, nicht weil irgendjemand wirklich die allgemeine Relativitätstheorie bezweifelt, sondern weil bestätigte Verknüpfungen zwischen Theorie und Beobachtung leistungsfähige neue Anwendungen ergeben können. Die Eclipse-Messungen von 1919, die zum Beispiel ergaben, dass die Schwerkraft die Flugbahn des Lichts verbiegt, haben zu einer erfolgreichen Technik geführt, mit der nun entfernte Planeten gefunden werden können. Wenn solche Planeten vor ihren Wirtssternen vorbeiziehen, fokussieren sie das Licht des Sterns leicht, was zu einem Aufhellungs- und Verdunklungsmuster führt, das Astronomen erkennen können. Mit einer ähnlichen Technik konnten Astronomen auch die Masse bestimmter Galaxien messen, indem sie beobachteten, wie stark sie die Flugbahn des von noch weiter entfernten Quellen emittierten Lichts verzerren. Ein anderes, bekannteres Beispiel ist das globale Ortungssystem, das auf Einsteins Entdeckung beruht, dass die Schwerkraft den Zeitablauf beeinflusst. Ein GPS-Gerät bestimmt seinen Standort, indem es die Laufzeit von Signalen misst, die von verschiedenen umlaufenden Satelliten empfangen werden. Ohne Berücksichtigung des Einflusses der Schwerkraft auf die Zeit, die auf den Satelliten vergeht, würde das GPS-System die Position eines Objekts, einschließlich Ihres Autos oder einer Lenkwaffe, nicht korrekt bestimmen.

Die Physiker glauben, dass die Detektion von Gravitationswellen die Fähigkeit hat, eine eigene Anwendung von grundlegender Bedeutung zu generieren: einen neuen Ansatz für die beobachtende Astronomie.

Seit Galileo haben wir die Teleskope nach oben gedreht, um Lichtwellen von entfernten Objekten zu sammeln. Die nächste Phase der Astronomie könnte sich sehr wohl darauf konzentrieren, Gravitationswellen zu sammeln, die durch entfernte kosmische Umwälzungen erzeugt werden und es uns ermöglichen, das Universum auf eine völlig neue Art und Weise zu untersuchen. Dies ist besonders aufregend, weil Lichtwellen erst einige hunderttausend Jahre nach dem Urknall in das Plasma eindringen konnten, aber Schwerkraftwellen. Eines Tages könnten wir also die Schwerkraft und nicht das Licht als unsere durchdringendste Sonde für die frühesten Momente des Universums verwenden.

Da sich die Schwerkraftwellen etwas im Raum wie Schallwellen in der Luft bewegen, sprechen die Wissenschaftler davon, auf Gravitationssignale zu „lauschen“. Mit dieser Metapher kann man sich wunderbar vorstellen, dass das zweite Jahrhundert der allgemeinen Relativitätstheorie Anlass 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.