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Kosmische Extrembedingungen : Einsteins Optimismus und dessen mögliche Grenzen

An der Goethe-Universität Frankfurt werden miteinander verschmelzende Neutronensterne simuliert. Bild: Universität Frankfurt/Luciano Rezolla

Die Gravitationswellenastronomie ermöglicht neue Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wird das Studium der Physik bei starken Gravitationsfeldern Hinweise auf neue Theorien liefern?

          Als Einstein vor mehr als hundert Jahren seine Allgemeine Relativitätstheorie vorstellte – eine Erweiterung des Newtonschen Gravitationsgesetzes, die den Einfluss von Massen auf die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit beschreibt –, erschien die Möglichkeit vielfältiger empirischer Tests noch fern. Die Lichtablenkung von Sternlicht im Gravitationsfeld der Sonne konnte Einsteins Theorie schon 1919 bestätigen. Einstein selbst wird allerdings mit einem gewissen Desinteresse an experimenteller Überprüfung zitiert. Danach befragt, wie er reagiert hätte, wenn seine Theorie am empirischen Test gescheitert wäre, soll er geantwortet haben: „Da könnt mir halt der liebe Gott leid tun. Die Theorie stimmt doch.“ Bis heute hat Einstein mit seinem Selbstbewusstsein recht behalten. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat nach ihren Anfangserfolgen in der Vorhersage der gravitativen Lichtablenkung und der Periheldrehung des Merkurs mittlerweile eine große Zahl von Präzisionstests mit Bravour bestanden.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Die „goldene Ära“ experimenteller Gravitationsforschung begann in den 1960er Jahren mit der Entdeckung von bis dahin unbekannten kosmischen Phänomenen, die neue Tests der allgemeinen Relativitätstheorie ermöglichten: Quasare (aktive Galaxienkerne, in denen ein supermassereiches Schwarzes Loch Unmengen von Materie schluckt und diese dabei zum Leuchten anregt), Pulsare (schnell rotierende Neutronensterne, die wie Leuchttürme gebündelte Strahlung zur Erde senden) und die kosmische Hintergrundstrahlung, die Wärmestrahlung des jungen Universums kurz nach dem Urknall. Zusammen mit der Entwicklung neuer Messtechnologien eröffneten diese Entdeckungen eine Fokusverschiebung hin zu den beobachtbaren Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die mit hoher Genauigkeit getestet werden konnten: von der Gravitationsrotverschiebung, die 1960 gemessen wurde, bis zum indirekten Nachweis der Abstrahlung von Gravitationswellen in Pulsar-Doppelsystemen 1979. All diese Experimente bestätigten Einsteins Vorhersagen und schlossen bestimmte Alternativen aus, allerdings spielen sich die meisten dieser Tests in einem nur eingeschränkten Zuständigkeitsbereich der Relativitätstheorie ab: demjenigen schwacher Gravitationsfelder.

          Keine Simulation sondern eine künstlerische Darstellung zweier Neutronensterne.
          Keine Simulation sondern eine künstlerische Darstellung zweier Neutronensterne. : Bild: M. Kornmesser

          Diese Einschränkung ist bedeutsam, denn heute gibt es überzeugende Gründe dafür, an der universellen Gültigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie zu zweifeln. Mit der dunklen Energie und der dunklen Materie enthält das auf Einsteins Theorie aufbauende kosmologische Standardmodell zwei Bestandteile, deren physikalische Natur vollkommen unverstanden ist. Hier könnten theoretische Modelle, die beide Phänomene anhand modifizierter Gravitationstheorien zu erklären versuchen, einen Ausweg bieten. Gleichzeitig sperrt sich die Allgemeine Relativitätstheorie strukturell gegen eine theoretische Vereinigung mit den Theorien des Mikrokosmos. Eine Theorie der Quantengravitation scheint eine Abwandlung der Einsteinschen Theorie notwendig zu erfordern.

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