https://www.faz.net/-gwz-8dm8v

Die Anfänge : Gravitationswellen - verloren und wiedergefunden

  • -Aktualisiert am

Albert Einstein formuliert am 14. Januar 1931 eine Feldgleichung für die Dichte der Milchstrasse am Carnegie-Institut im kalifornischen Pasadena. Bild: AP

Gravitationswellen waren nicht die alleinige Idee Albert Einsteins: Wichtige Anstöße kamen von zahlreichen Wissenschaftlern, darunter Karl Schwarzschild, wie die Untersuchung historischer Quellen nun zeigt.

          5 Min.

          Die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen gelang fast ein Jahrhundert nach ihrer ersten Vorhersage durch die allgemeine Relativitätstheorie Einsteins. Der Nachweis von Gravitationswellen war eine der größten Herausforderungen moderner astrophysikalischer Forschung. Ähnlich wie Galileis Fernrohr oder die Entdeckung der Hertzschen Wellen eröffnet er ein neues Fenster für die Beobachtung des Universums, das uns Einblicke in seine frühesten Anfänge erlauben könnte. Auch Wissenschaftshistoriker haben die Geschichte der spannenden Suche nach Gravitationswellen seit langem aufmerksam verfolgt. Jetzt hat eine gemeinsame Untersuchung von Historikern der Einsteinausgabe am Caltech, der Hebräischen Universität in Jerusalem und des Max-Planck-Instituts für Wissenschaftsgeschichte in Berlin gezeigt, dass selbst die allerersten Anfänge dieser Suche Teil einer dramatischen Geschichte waren, an der nicht nur Einstein beteiligt war.

          Die ersten Auseinandersetzungen um die Frage, ob es so etwas wie Gravitationswellen wirklich gibt, fanden bereits vor Einsteins Vollendung der allgemeinen Relativitätstheorie im November 1915 statt. Ein Konkurrent Einsteins im Ringen um die Aufstellung einer Feldtheorie der Schwerkraft, der Physiker Max Abraham, beschäftige sich bereits 1912 mit diesem Problem und bemerkte, dass Gravitationswellen sich von elektromagnetischen Wellen grundsätzlich unterscheiden müssten. Als Einstein dann seine abschließende Arbeit zur allgemeinen Relativitätstheorie am 25. November 1915 der Preussischen Akademie in Berlin vorlegte, war die Frage, ob solche Wellen tatsächlich aus seiner Theorie folgen, noch offen. Einstein erwähnte das Thema zum ersten Mal in einem Brief, den er am 19. Februar 1916 an Karl Schwarzschild schickte. Nach einigen obskuren technischen Bemerkungen, stellte er lakonisch fest: „Es gibt also keine Gravitationswellen, welche Lichtwellen analog wären.“

          Wir brauchen eine Quantentheorie der Gravitation

          Nur kurze Zeit später änderte er allerdings seine Meinung. Am 22. Juni 1916 publizierte er eine Arbeit, in der er aus seiner kurz zuvor abgeschlossenen allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen ableitete, die sich ebenso wie elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Er leitete darin eine Formel für die Ausstrahlung solcher Wellen ab, die allerdings mit einem Fehler behaftet war, den er zwei Jahre später, angeregt durch die Kritik eines Kollegen, in einer Nachfolgearbeit korrigieren konnte. Seine Rechnungen zeigten jedoch, dass diese Wellen zu schwach sind, um mit der damals zur Verfügung stehenden Technologie beobachtet werden zu können. Darüber hinaus argumentierte er, dass eine zukünftige Quantentheorie der Gravitation nötig sei, um angesichts der Abstrahlung von Gravitationswellen die Stabilität von Atomen zu garantieren.

          Noch Jahrzehnte später waren sich Einstein und viele seiner Kollegen keineswegs sicher, ob es Gravitationswellen tatsächlich gibt. Das Thema trat schließlich in den Hintergrund der Diskussion und wurde erst Mitte der fünfziger Jahre wiederbelebt, zu einem Zeitpunkt, als eine regelrechte Renaissance der allgemeinen Relativitätstheorie einsetzte. Nun ist es durch eine gemeinsame Anstrengung der internationalen Physikergemeinschaft wieder ins Zentrum der Aufmerksamkeit gerückt. Am 11. Februar 2016 bestätigten die Physikerinnen und Physiker der Ligo-Kollaboration die Existenz von Kräuselungen der Raumzeit durch den Zusammenstoß zweier schwarzer Löcher, von Objekten also, für deren Beschreibung Schwarzschild ein Jahrhundert zuvor die Grundlagen geliefert hatte.

          „Ihre neue Mitteilung aber finde ich sehr interessant“

          Die Anfänge der dramatischen Geschichte der Gravitationswellen, wie man sie in den Studien von Daniel Kennefick und Harry Collins nachlesen kann, blieben jedoch im Dunkeln. Nun hat eine abermalige Prüfung der historischen Dokumente, die sich im Einstein Archiv und an anderen Orten erhalten haben, ein neues Licht auf den Ursprung der Idee geworfen. Der Erste, der das Thema der Existenz von Gravitationswellen als Folge von Einsteins Theorie aufgebracht und untersucht hat, war Karl Schwarzschild. Er war auch der Erste, der eine exakte Lösung von Einsteins Feldgleichungen gefunden hatte, und alles dies, während er im Ersten Weltkrieg an der Ostfront stationiert war und dennoch mit Einstein und anderen Physikern in engem Kontakt blieb.

          Am 6. Februar schrieb Schwarzschild an Einstein über die Eigenschaften einer speziellen Lösung, die sich später für das Verständnis Schwarzer Löcher als entscheidend herausstellen sollte. Einstein zeigte jedoch wenig Interesse dafür und entschuldigte seine verspätete Antwort damit, dass „the special cases treated have raised my interest to a lesser degree.“ Aber er reagierte mit Neugier auf etwas anderes, das Schwarzschild ebenfalls erwähnt hatte. Es hat sich herausgestellt, dass es einen weiteren Brief Schwarzschilds an Einstein gegeben haben muss, der allerdings verlorengegangen ist, und der Einsteins Aufmerksamkeit erregt haben muss: „Ihre neue Mitteilung aber finde ich sehr interessant. Ich habe Ihre Rechnung bestätigt gefunden.“ An diese Bemerkung schließt sich die oben zitierte erste Aussage Einsteins zu den Gravitationswellen an. Was also hatte Schwarzschild geschrieben, das Einstein so viel interessanter fand als eine exakte Lösung seiner Feldgleichungen?

          Die schwierigen Rechnungen

          Selbst in dieser Zeit, inmitten eines verheerenden Weltkriegs, unterhielten Physiker ein engmaschiges, wenn auch kleines Netzwerk wissenschaftlicher Kommunikation - ein Umstand der es uns Historikern heute erlaubt, die ganze Geschichte zu rekonstruieren. Zur selben Zeit, als Schwarzschild mit Einstein korrespondierte, tauschte er sich auch mit Arnold Sommerfeld, einem Pionier der Quantenphysik, aus. Diesem schrieb er am 17. Februar: „Ich wühle weiter in Einstein’s Feldgleichungen. Heute bin ich ganz verblüfft.“ Er hatte vergeblich versucht, die von ihm offenbar erwarteten, sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Gravitationswellen aus einer Näherung der Einsteinschen Feldgleichungen abzuleiten, und war auf ein Problem gestoßen, weil sich stattdessen eine unendliche Ausbreitungsgeschwindigkeit ergab. Mit diesem Problem hatte er offenbar auch Einstein in dem Brief konfrontiert, der inzwischen verlorengegangen ist. Einstein wiederholte Schwarzschilds Rechnung und fand sie bestätigt - er war ebenfalls nicht in der Lage, Gravitationswellen abzuleiten. In seiner Antwort an Schwarzschild führte er diese Tatsache auf die verwendete Näherungsmethode zurück, die er selbst inzwischen aufgegeben hatte. Darüber hinaus führte er ein Argument seines alten Konkurrenten Max Abrahams gegen die Existenz solcher Wellen an.

          Im Mai 1916 verstarb Schwarzschild, der erst im März von der Front zurückgekehrt war, im Alter von nur 42 Jahren in Potsdam, wahrscheinlich an den Folgen einer Autoimmunerkrankung. Aber das von ihm aufgeworfene Rätsel ließ Einstein auch danach nicht los. Bald darauf schrieb ihm ein anderer Astronom, Willem de Sitter, sein wichtigster Gesprächspartner in den Debatten über die Struktur des Universums, mit Überlegungen zur näherungsweisen Lösung der Feldgleichung, die Einstein dazu brachten, sich abermals mit der Herausforderung der Gravitationswellen zu beschäftigen.

          Einstein schrieb an de Sitter: „Hoch geehrter Herr Kollege! Ihr Brief hat mich sehr gefreut und mir reiche Anregung gegeben.“ Einstein erklärte dann, dass er jetzt einen Weg gefunden habe, um das Hindernis zu umgehen, das es ihm zuvor nicht erlaubt hatte, Schwarzschilds Rätsel zu lösen. De Sitters Brief ist leider ebenfalls verloren, aber seine Wirkung auf Einstein ist offenbar: Noch am selben Tag reichte er seine bahnbrechende Arbeit über die Gravitationswellen zur Publikation ein und leitete damit die langwierigen Forschungen ein, die uns schließlich zu der Erkenntnis geführt haben, dass diese Wellen Teil unserer physikalischen Realität sind. Und nun wissen wir auch, dass selbst die ersten Schritte auf diesem Weg schwierig waren und das Ergebnis einer Kooperation, wenn auch bei weitem nicht in gleichem Maße, wie es die jetzt gelungenen Beobachtungen sind.

          Der Artikel ist in englischer Übersetzung in der Huffington Post erschienen.

          Die Autoren

          • Diana K. Buchwald ist isrealisch-amerikanische Wissenschaftshistorikerin am Caltech (Pasadena)
          • Hanoch Gutfreund ist Professor Emeritus für theoretische Physik an der Hebräischen Universität in Jerusalem
          • Jürgen Renn ist Wissenschaftshistoriker und Direktor am Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte in Berlin

          Weitere Themen

          Spinat für Albert Einstein

          Zum Tod von Hartmut Geerken : Spinat für Albert Einstein

          In einem einzigen pulsierenden Satz vermochte er Erdteile und Jahrhunderte zu verbinden: Zum Tod des Dichters, Musikers und Mythenschöpfers Hartmut Geerken, der in verschiedenen Ländern zuhause und in vielfältigen Disziplinen tätig war.

          Topmeldungen

          Michael Kaufmann (AfD) im März 2020

          Neuer Bundestag : Diesen Kandidaten schickt die AfD ins Rennen

          In der vergangenen Legislaturperiode sind sechs Kandidaten der AfD bei der Wahl für das Amt eines Vizepräsidenten des Bundestages durchgefallen. Jetzt kandidiert Michael Kaufmann. Hat er eine Chance?

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.