Relativitätstheorie Schwer was los in der Raumzeit

Den Stern Eta Carinae gibt es vielleicht gar nicht mehr. Gewiß, heute nacht war sein Licht noch am Südhimmel zu sehen. Doch dieses Licht war über 8000 Jahre zu uns unterwegs. Es zeigt eine Sonne im Todeskampf, die jeden Moment in einer Supernova zerplatzen kann. Vielleicht ist es ja schon geschehen. Dann jagt mit dem Lichtblitz der Explosion auch ein Bündel Gravitationswellen durch die Galaxis, Schwingungen also, die der Knall im Gefüge von Raum und Zeit selber angeregt hat (siehe Gravitationswellen: Rippel in der Raumzeit). Erst in den letzten Jahren kam der Nachweis solcher Wellen in den Bereich des technisch Möglichen. Entsprechend sehnsüchtig wird ein starkes Raumbeben erwartet. Gleich mehrere Detektoren stehen bereit. Sie sind kaum der Testphase entwachsen, doch Gravitationswellen einer Supernova in unserer eigenen Galaxie müßten sich damit bereits nachweisen lassen.

Es wäre Albert Einsteins letzter Triumph. Die Existenz von Gravitationswellen war eine der ersten Voraussagen seiner im Jahre 1915 fertiggestellten Gravitationstheorie - und ist heute die letzte noch fehlende Bestätigung dafür. Doch die wandernden Raumzeit-Falten sind nur eine von vielen zum Teil höchst merkwürdigen Folgerungen, die sich aus Einsteins Gleichungen ziehen lassen. Einige der spektakulärsten sind in diesem Spezial zusammengestellt. So bizarr sie uns erscheinen mögen, sie alle sind Konsequenzen einer Theorie, die sich inzwischen in zahllosen Beobachtungen bestätigt hat.

Zeit und Raum keine Basis mehr

Allgemeine Relativitätstheorie wird sie auch genannt, im Gegensatz zur Speziellen Relativitätstheorie, die Einstein zehn Jahre zuvor veröffentlicht hatte. Schon sie war ein epochaler Durchbruch, nicht zuletzt dadurch, daß sie das überkommene Konzept von Zeit und Raum als absoluter Bühne, auf der sich alles physikalische Geschehen abspielt, kurzerhand abschaffte. Nach der speziellen Relativitätstheorie hängt der Gang einer Uhr oder die Länge eines Lineals immer davon ab, wie schnell sich der Beobachter relativ zu diesen Meßinstrumenten bewegt.

Die Spezielle Relativitätstheorie ist ein Musterbeispiel einer modernen naturwissenschaftlichen Theorie. Sie erklärt zuvor unerklärliche experimentelle Ergebnisse auf begrifflich schlüssige Weise und integriert sie in bestehendes Wissen. Auf den ersten Blick sieht es so aus, als sei das bei der Allgemeinen Relativitätstheorie anders gewesen. Die damals maßgebliche Gravitationstheorie Isaac Newtons vertrug sich bestens mit allen Erscheinungen der Schwerkraft, die man seinerzeit beobachten konnte - sieht man einmal von einer winzigen Anomalie in der Bahn des Planeten Merkur ab, derentwegen man es aber kaum für nötig befand, dem großen Newton am Zeug zu flicken. Es scheint daher, als habe Einstein sein Gravitationsprojekt eher aus einer philosophischen Sehnsucht nach einer umfassenden Naturtheorie begonnen.

Eine neue Gravitationstheorie mußte her

Die wissenschaftshistorische Forschung sieht das heute anders. Demnach sah sich Einstein, als man ihn 1907 um einen Übersichtsartikel zur Spezielle Relativitätstheorie bat, mit einem Problem konfrontiert: In Newtons Theorie sind Änderungen in der Gravitationswirkung eines Körpers sofort im gesamten Universum spürbar. Das aber widerspricht der Speziellen Relativitätstheorie, wonach sich grundsätzlich nichts - also auch keine Schwankungen in Schwerefeldern - schneller ausbreitet als das Licht. Also mußte eine neue Gravitationstheorie her.

Einstein erkannte, daß er seine Relativitätstheorie verallgemeinern mußte. Dazu simulierte er die Schwerkraft durch Beschleunigungen. Denn Beschleunigungen erzeugen Kräfte - man denke nur an die Kraft, welche die Insassen einer startenden Rakete in ihre Sessel drückt. Einsteins geniale Einsicht war, daß die Trägheitskraft einer beschleunigten Bewegung und die Gravitationskraft im Schwerefeld letztlich wesensgleich sind - blickdicht eingekapselte Astronauten ihren Start also nicht von einer plötzlichen Zunahme der Erdanziehung unterscheiden könnten.

Gravitation nur die Folge der Krümmung des Raumes

Die Umsetzung dieser Idee in einen mathematischen Formalismus kostete Einstein acht Jahre mühsamster Arbeit. Als das Werk aber vollendet war und Beobachtungen die ersten Vorhersagen der Theorie bestätigten, war die Physik in ihren Grundfesten erschüttert. Raum und Zeit - bis dahin der wenn auch relativierte Rahmen jeder physikalischen Beschreibung - waren selber zu einem Gegenstand der Physik geworden, zu einer eigentümlichen Entität namens Raumzeit, die sich knautschen läßt wie ein Stück Gummi.

Denn Gravitation ist nach Einstein nur eine Folge der Krümmung des Raumes. Dabei krümmt der sich nicht allein durch die Anwesenheit von Masse, sondern auch dort, wo Drücke herrschen oder Energie gespeichert ist. Selbst die gänzlich masselosen Lichtstrahlen spüren daher Gravitation. Aber nicht nur das: Sie bringen sie auch selber hervor. Über einer eingeschalteten Lampe ist der Raum einen Hauch stärker gekrümmt und ein Gegenstand ein klitzeklein wenig schwerer als über einer ausgeschalteten. Damit aber ist auch die Gravitationsenergie selber eine Quelle der Schwerkraft. Zwei einander anziehende Massen haben zusammen ein größeres Schwerefeld als jenes, das sich aus der Addition der separaten Gravitationsfelder ergäbe. Die Krümmung, die sie erzeugen, wirkt ihrerseits noch einmal krümmend.

Brodelnder Schaum vor unseren Nasen?

Diese Eigenschaft der Gravitation, auf sich selber zurückzuwirken, schlägt sich mathematisch als sogenannte "Nichtlinearität" nieder. Und genau diese Nichtlinearität steckt hinter vielen der skurrilen Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das geht so weit, daß sich Gravitationswellen theoretisch so fokussieren lassen, daß ihre gebündelte Krümmung aus reiner Energie ein Schwarzes Loch entstehen läßt (siehe Schwarze Löcher im All). Die Bedingungen dafür wären allerdings so speziell, daß dergleichen im Makrokosmos praktisch ausgeschlossen werden kann - nicht alles, was nach Einsteins Theorie erlaubt ist, muß es deswegen auch tatsächlich geben.

Dennoch spekulieren Forscher, daß gerade solche Effekte in jenem unerforschten Reich des Allerkleinsten an der Tagesordnung sind, in dem Einsteins Theorie wahrscheinlich abgeändert werden muß, um mit der Quantentheorie zusammenzupassen. Dort könnten ständig Schwarze Löcher im Miniformat entstehen, um sofort wieder zu verdampfen, Wurmlöcher sich öffnen und wieder schließen (siehe Wurmlöcher: Brücken durch Raum und Zeit). In extremster Vergrößerung könnte der allgegenwärtige Raumzeit-Knautschgummi aussehen wie brodelnder Schaum. Die seltsamsten Konsequenzen aus Einsteins Theorie könnten dort verwirklicht sein. Vor unserer Nasenspitze.