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Einheit von Raum und Zeit : Alles ist relativ

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Gravitationslinie Abell 2218 Bild:

Er mußte am Anfang geistige Schwerstarbeit verrichten, um seine Allgemeine Relativitätstheorie zu vollenden. Bisher sind fast alle Voraussagen Albert Einsteins zur Gewißheit geworden.

          Das Licht stand auch im Mittelpunkt von Einsteins Abhandlung zum Relativitätsprinzip, die er Ende Juni 1905 einreichte. Seit seiner Jugend beschäftigte Einstein immer wieder die Frage: „Was geschieht, wenn man sich mit einer Lichtwelle bewegt? Würde dann das Licht oder die Zeit stillstehen?“ Es sollten viele Jahren vergehen, bis Einstein die richtigen Antworten fand.

          1887 hatten die amerikanischen Physiker Michelson und Morlay herausgefunden, daß sich ein Lichtstrahl immer mit derselben Geschwindigkeit ausbreitet, unabhängig davon, wie er sich relativ zur Erde bewegt. Damit war plötzlich die verbreitete Vorstellung von einem Äther, der die Lichtwellen durchs All transportierte, hinfällig.

          Trotzdem mußte weiterhin das Relativitätsprinzip gültig sein, wonach die Naturgesetze in allen Bezugssystemen gleichermaßen gelten und sich somit die Geschwindigkeiten zweier Objekte addieren lassen. Das bedeutete aber, daß man eine Lichtwelle theoretisch doch einholen konnte. Das war aber unmöglich, wenn die Lichtgeschwindigkeit die größtmögliche war. Hier lag der Widerspruch, den Einstein in seiner dreißig Seiten umfassenden Abhandlung zur Speziellen Relativitätstheorie löste.

          In scheinbar vollkommenen Widerspruch zur Alltagserfahrung

          Einstein kam darin zu Schlüssen, die der Alltagserfahrung vollkommen zu wiedersprechen schienen. Wenn die Lichtgeschwindigkeit von jedem Beobachter aus betrachtet immer gleich war und sich kein Objekt schneller bewegen konnte als das Licht, dann mußten, so sein Argument, Raum und Zeit - zwei bis dahin absolute Größen - abhängig vom Tempo des Beobachters variieren. Insbesondere die Zeit, die seit Newton für alle Objekte überall im Universum gleichmäßig verstrich, sollte um so langsamer vergehen, je schneller man sich bewegte. Diese sogenannte Zeitdilatation sollte sich direkt auf das Altern menschlicher Zellen auswirken, wie es das berühmte Zwillingsparadoxon veranschaulicht. Fortan machte der Begriff der Gleichzeitigkeit keinen Sinn mehr.

          E = m · c² - die berühmteste Formel der Geschichte

          Kurz nachdem Einstein das Manuskript zur Post gebracht hatte, befaßte er sich mit der Auswirkung seiner Theorie auf Masse und Energie. Das führte ihn zur berühmtesten Formel der Geschichte: E = m · c². Danach ist die Masse m eines Körpers ein Maß für dessen Energieinhalt E - eine Erkenntnis, die vierzig Jahre später bei der Zündung der ersten Atombombe ihre ungeheure Wirkung zeigte.

          Daß die relativistischen Effekte normalerweise im Alltag nicht zu beobachten sind, liegt daran, daß sie nur bei extrem großen Geschwindigkeiten eine nennenswerte Rolle spielen. Deshalb sollte es noch viele Jahre dauern, daß die Zeitdilatation mit der Entwicklung von Beschleunigern, die die Teilchen auf Lichtgeschwindigkeit brachten, und präzisen Atomuhren nachgewiesen werden konnte.

          Max Planck als einer der ersten begeistert

          Max Planck war einer der ersten, der von der Relativitätstheorie sofort begeistert war und für ihre Verbreitung und große Akzeptanz in den damaligen Zirkeln sorgte. Doch Einstein grübelte seit 1907 bereits an einer Unstimmigkeit: Er fragte sich, was passierte, wenn die Sonne plötzlich aufgrund einer kosmischen Katastrophe verschwinden würde.

          Laut Newton sollte die Erde sofort aus der Bahn geworfen werden. Das aber war nicht möglich, weil sich bekanntlich nichts schneller ausbreiten konnte als das Licht - also auch keine Gravitationsfelder. Einstein begann seine Theorie daraufhin auf beschleunigte Bezugssysteme zu verallgemeinern. Dabei kam ihm der Einfall, daß die Trägheitskraft und die Schwerkraft letztlich äquivalent sind. Fortan versuchte er, die Gravitation als Beschleunigungen auszudrücken.

          Dem Physiker fehlte es zur Formulierung einer geschlossenen Theorie allerdings am nötigen mathematischen Rüstzeug. Erst nach acht Jahren schwerster geistiger Arbeit, die stark an seinen Kräften zehrte, vollendete Einstein im November 1915 in Berlin seine Allgemeine Relativitätstheorie. Jetzt war die Gravitationswirkung eines massereichen Objekts nichts anderes mehr als die Folge der geometrischen Krümmung von Raum und Zeit, die nun untrennbar miteinander zur vierdimensionalen Raumzeit verbunden waren.

          Über Nacht weltberühmt

          War die Spezielle Relativitätstheorie noch vergleichsweise leicht nachvollziehbar, so bereitete ihre Verallgemeinerung wegen des komplizierten mathematischen Formalismus und den seltsamen Konsequenzen deutlich größere Schwierigkeiten - was sich bis heute nicht geändert hat. Die Zeit sollte nun auch unter dem Einfluß der Gravitation langsamer verstreichen, Maßstäbe würden größer werden. Selbst masselose Lichtstrahlen erführen infolge der Schwerkraft eine Ablenkung - was auch tatsächlich bei der Sonnenfinsternis 1919 beobachtet wurde und Einstein über Nacht weltberühmt machte.

          Erst allmählich offenbarte sich das ganze Potential der Theorie. Ob die Expansion des Universums oder die Existenz von Schwarzen Löchern oder Gravitationslinsen, jene massereichen Objekte, die die Strahlung wie eine Linse fokussieren - fast alle Voraussagen Einsteins sind zur Gewißheit geworden. Nur die Gravitationswellen, die etwa bei der Kollision von Sternen entstehen sollen, harren noch immer eines direkten Nachweises.

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