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Relativitätstheorie : Die Schwere des Lichts

Diese Aufnahmen einer Sonneneruption gelang Arthur Stanley Eddington am 29. Mai 1919 in Principe vor Westafrika. Er hätte sie hoffnungslos überbelichtet, wäre es zum Zeitpunkt der Finsternis nicht so bewölkt gewesen. Sterne nahe der Sonnenscheibe, um die es eigentlich ging, sind hier daher nicht zu sehen. Bild: ESO/Landessternwarte Heidelberg-

Eine Sonnenfinsternis machte Albert Einstein vor hundert Jahren über Nacht zum Popstar der Physik. Dahinter steckt die vielleicht größte Einzelleistung eines Wissenschaftlers und ein erkenntnistheoretischer Krimi.

          8 Min.

          Lichter ganz schief am Himmel“, brüllte die Überschrift. „Sterne sind nicht dort, wo sie zu sein schienen (...). Aber niemand muss sich Sorgen machen.“ So titelte die New York Times am 10. November 1919 zwar nicht auf der Titelseite – dort ging es an jenem Montag vor allem um Streiks und Kommunisten –, sondern erst auf Seite 17. Dennoch, nun kannten viele amerikanische Normalbürger plötzlich einen Mann, der noch eine Woche zuvor auch in Europa nur einigen Physikern ein Begriff gewesen war: den gebürtigen Ulmer Albert Einstein. Und als dieser zwei Jahre später zum ersten Mal Amerika besuchte, wurde er von jubelnden Menschenmengen empfangen.

          Ulf von Rauchhaupt

          Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Der Hype war am 6. November 1919 in London ausgebrochen. Auf einer gemeinsamen Sitzung der Royal Society und der Royal Astronomical Society hatten Sir Frank Watson Dyson, seines Zeichens Königlicher Hofastronom und Direktor des Royal Greenwich Observatory, sowie sein Fachkollege Arthur Stanley Eddington aus Cambridge Auswertungen von Messungen vorgestellt. Diese waren fünf Monate zuvor in den Tropen vorgenommen worden, um die Vorhersage einer damals erst vier Jahre alten Theorie Einsteins zu überprüfen. Nun erklärten die beiden prominenten Forscher, die Daten gäben Einstein recht.

          Albert Einstein Superstar: Als „eine neue Größe der Weltgeschichte“ betitelte ihn im Dezember 1919 diese Wochenzeitschrift.

          Die Folge war aber nicht nur der Aufstieg Einsteins zur Pop-Ikone, sondern später auch ein jahrzehntelanger Verdacht gegen Eddington. Noch 1993 suggerierten die britischen Wissenschaftssoziologen Harry Collins und Trevor Pinch in ihrem vielbeachteten Buch „The Golem. What everyone should know about science“, Eddington habe die eigentlich unzulänglichen Messdaten zumindest unbewusst zu Einsteins Gunsten ausgelegt. Damit hielten Collins und Pinch einen Vorgang für dekonstruiert, der oft als Ideal und Paradebeispiel der empirischen Überprüfung einer wissenschaftlichen Theorie angeführt wird: nämlich einer, die auch negativ hätte ausfallen können. Dass eine Theorie überhaupt nur wissenschaftlich genannt werden dürfe, die in dieser Weise falsifizierbar sei, ist eine bis heute einflussreiche Position des Philosophen Karl Popper (1902 bis 1994), der später über den 6. November 1919 schrieb: „Das war eine großartige Erfahrung für uns und eine, die einen bleibenden Einfluss auf meine intellektuelle Entwicklung hatte.“

          Nun ging es hier nicht um irgendeine Theorie. Was Einstein da Ende 1915 nach Jahren mühevoller Arbeit veröffentlicht hatte, war die Verallgemeinerung einer für sich schon bahnbrechenden Erkenntnis aus dem Jahr 1905. Damals hatte Einstein festgestellt, dass eine stimmige Physik die Phänomene Raum und Zeit anders auffassen muss, als Philosophie und Alltagsverstand sie bis dahin verstanden hatten: Für Strecken und Zeitintervalle eines beobachteten Vorganges könnten demnach keine absoluten Werte gemessen werden, sondern nur welche, die von der Geschwindigkeit des Beobachters relativ zum Beobachteten abhängen. Zehn Jahre später konnte Einstein diese sogenannte spezielle Relativitätstheorie auf Bewegungen in Gravitationsfeldern verallgemeinern, indem er die Schwerkraft mathematisch als Krümmung von Raum und Zeit beschrieb. Damit stieß Einstein nichts weniger als Isaac Newtons ehrwürdige Theorie der Schwerkraft vom Thron, mit dem dieser 1687 die moderne mathematische Physik, wenn nicht überhaupt die strenge quantitative Naturwissenschaft begründet hatte.

          Wie kann Licht denn etwas wiegen?

          Dabei machte Einstein die Newtonsche Theorie nicht ungültig, sondern degradierte sie zu einem Spezialfall seiner allgemeinen Relativitätstheorie für schwache Schwerefelder und langsame Bewegungen. Konzeptionell aber hatte sich damit ein ganzes Weltbild nicht bloß verschoben sondern geradezu umgekrempelt. Raum und Zeit waren nun nicht nur relativ, sondern auch durch in ihnen verteilte Materie und Energie verformbar. Statt die feste Bühne des physikalischen Welttheaters zu sein, entpuppten sich Raum und Zeit als Mitspieler in den darin aufgeführten Dramen. Die Frage seit 1915 war nur: Beschrieb die Allgemeine Relativitätstheorie die physikalische Wirklichkeit richtig?

          Einstein selbst hatte bereits einige Folgerungen abgeleitet, anhand derer sich seine Theorie von der Newtons empirisch unterscheiden lassen müsste. So verzerrt die Sonne die Raumzeit um sich herum, weswegen Licht dort auf gekrümmten Bahnen läuft. Licht wird also von der Sonne angezogen. Licht ist schwer.

          In diesem Brief skizziert Einstein 1913, wie man seine Idee anhand der Ablenkung von
Sternenlicht durch die Sonne testen könnte. Die Theorie war damals aber noch nicht fertig 
und ergab noch nicht das korrekte Ausmaß der Ablenkung.

          Nach der noch im frühen 20. Jahrhundert vorherrschenden Auffassung konnte das gar nicht sein. Da betrachtete man Licht als Schwingungen in einem das All erfüllenden Medium, dem Äther. Schwingungen aber wiegen nichts – es sei denn, man folgt Einsteins spezieller Relativitätstheorie, der zufolge Energie, also auch Schwingungsenergie, über die Formel E=mc2 mit einer Masse verknüpft ist. Dann ergeben auch die Newtonschen Gleichungen eine Lichtablenkung, allerdings eine um die Hälfte schwächere, als wenn man darüber hinaus auch die Raumkrümmung berücksichtigt. Das galt es also damals empirisch zu entscheiden: Gab es keine Lichtablenkung, lag Einstein offenbar auf ganzer Linie falsch, und der Äther blieb aus Sicht der damaligen Experimentalphysik eine Option. Gab es eine Ablenkung, war die Frage, wie stark sie war.

          Was man dafür zu beobachten hatte, steht schon bei Einstein: Steht die Sonne neben einem Stern, krümmt sie den Weg seines Lichts zur Erde, so dass er einem Beobachter dort etwas von der Sonne weggerückt erscheint. Für einen Stern genau am Sonnenrand liefern die Formeln der allgemeine Relativitätstheorie eine Verrückung von etwa 1,75 Bogensekunden. Dieser Wert ist ziemlich klein – etwas weniger als ein Tausendstel dessen, was die Vollmondscheibe am Himmel einnimmt. Überdies werden Sterne bei Tage zumeist von der Sonne überstrahlt – erst recht nahe ihrem Rand. Während einer totalen Sonnenfinsternis aber kann man solche Sterne sehen und ihre von Einstein vorhergesagte Verschiebung durch das Schwerefeld der Sonne mit den astronomischen Techniken des frühen 20. Jahrhunderts messen.

          Genau das hatten die beiden britischen Teams Dysons und Eddingtons getan, als sich Ende Mai 1919 eine fast ideale Gelegenheit dazu bot: Die Sonne verfinsterte sich im Sternbild Stier mit seinem hellen Sternhaufen der Hyaden – und obendrein besonders lange: Mehr als fünf Minuten würden mögliche Beobachtungsorte im Kernschatten liegen – allerdings in einer relativ ungünstigen Weltgegend (siehe Karte rechts). Nur wenige Ort dort waren von Expeditionen mit schwerer astronomischer Ausrüstung zu erreichen.

          Der Kernschatten der Sonnenfinsternis zog über die Anden, den Atlantik und die größten Urwälder der Erde. Auch die beiden am Ende ausgewählten Beobachtungsorte, Sobral und die Insel Principe, waren kurz nach dem Ersten Weltkrieg nur mühsam zu erreichen.

          Die Wahl fiel schließlich auf das Städtchen Sobral in Brasilien, das über eine Eisenbahnanbindung zur Küste verfügte, und die Insel Principe im Golf von Guinea. Dyson schickte zwei seiner Mitarbeiter aus Greenwich mit zwei Teleskopen nach Sobral, und aus Cambridge fuhr Eddington persönlich mit einem Teleskop nach Principe. Begleitet wurde er von dem Uhrmacher Edwin Turner Cottingham, denn die beiden Astronomen in Eddingtons Team waren im Ersten Weltkrieg gefallen.

          Überhaupt der Krieg. Hätte er nur ein wenig länger gedauert, hätte man die Finsternis verpasst. Die Fahrt der RMS „Anselm“, auf der man sich Anfang März 1919 in Liverpool einschiffte, war die erste Linienfahrt von England nach Brasilien seit Kriegsende. Reisen in den Golf von Guinea ließen sich damals überhaupt nicht buchen. Eddington und Cottingham verließen die „Anselm“ in Madeira, wo sie drei Wochen damit verbrachten, ein Schiff nach Principe zu finden.

          Wolken über Principe

          Vor Ort lief dann auch nicht alles glatt. In Sobral produzierte das eine der beiden Teleskope wenig zufriedenstellende Aufnahmen. In Principe spielte das Wetter nicht mit. Nur ganz am Ende der Verfinsterung riss die Wolkendecke so weit auf, dass Eddington gerade noch ein paar Photoplatten belichten konnte, auf der einige Sterne zu sehen waren.

          Eddington begann die Aufnahme noch vor Ort zu analysieren, um zu sehen, ob es eine Lichtablenkung gab, und wenn ja, ob sie eher mit dem halben „Newtonschen“ Wert oder dem vollen der allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar war. „Und was, wenn wir sogar eine doppelte Ablenkung messen?“, soll Cottingham Dyson vor der Abreise gefragt haben. „In diesem Fall“, so Dyson. „wird Eddington verrückt werden und Sie alleine nach Hause fahren.“ Nach einem ersten Blick auf die Aufnahmen konnte Eddington seinen Assistenten beruhigen: „Cottingham, Sie müssen nicht alleine zurück.“

          Die Beobachtungsstation in Sobral, Brasilien. Bewegliche Spiegel lenkten das Licht in die waagrecht liegenden Teleskope. Mit dem Spiegel des linken Tubus gab es ein folgenschweres Problem

          Diese Anekdote rührt bereits an die spätere Kontroverse darüber, inwieweit und ob überhaupt die Messungen von 1919 eine Bestätigung der Einsteinschen Theorie darstellten. Die Zweifel daran stützen sich auf drei Umstände: Erstens war Eddington als Quäker überzeugter Pazifist und wäre um ein Haar wegen Kriegsdienstverweigerung im Gefängnis gelandet, hätte Dyson nicht seinen Einfluss geltend gemacht, um die Finsternis-Expedition nach Principe bei den Behörden als Dienst an König und Vaterland zu deklarieren. Dass das Unternehmen die Theorie eines Deutschen (Einstein hatte damals die deutsche Staatsbürgerschaft) bestätigen und damit die des Engländers Newton deklassieren könnte, verschwieg Dyson natürlich.

          Eddingtons Pazifismus ist hier deswegen wichtig, weil auch Einstein entschiedener Kriegsgegner gewesen war und es plausibel erscheint, dass Eddington hier die Chance sah, der wissenschaftliche Triumph eines pazifistischen Deutschen könnte dazu beitragen, die tiefen Risse zu heilen, die nach dem Krieg auch durch die internationale Wissenschaftlergemeinde gingen.

          Hat Eddington die passenden Daten herausgepickt?

          Zweitens aber war Eddington von der allgemeinen Relativitätstheorie zutiefst überzeugt. Er war damals einer der wenigen Astronomen mit den nötigen mathematischen Kenntnissen, um Einsteins Formeln zu verstehen. Aber wichtiger: Eddington verstand, dass Newtons Gravitationstheorie durch die spezielle Relativitätstheorie von 1905 inkonsistent geworden war. Daniel Kennefick von der University of Arkansas, der jüngst eine umfassende Darstellung der Sonnenfinsternis-Expeditionen von 1919 vorgelegt hat, hält diese wissenschaftliche Sympathie Eddingtons für die entscheidende. „Es ist richtig, dass Einstein und Eddington pazifistische Ideale und internationalistische Ansichten teilten“, schreibt er. „Aber es war ihr gemeinsames wissenschaftliches Interesse, das sie zusammenbrachte.“ Dass Eddington von Einstein eingenommen und damit voreingenommen war, leugnet Kennefick indes nicht.

          Bedeutet das aber, dass dies seine Auswertung der Messdaten leitete? Als Indiz dafür, dass dem so gewesen sei, diente noch Collins und Pinch weniger die Ausbeute aus Principe als die des Greenwich-Teams in Sobral. Von den beiden Teleskopen, in die dort das Licht aus der Umgebung der verfinsterten Sonne gespiegelt worden war, lieferte eines einen Wert für die Verrückung von Sternen am Sonnenrand, der innerhalb der statistischen Fehler mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie in Einklag stand. Das andere Teleskop dagegen lieferte Daten, die nur zum halben Wert passten. Aber diese wurden für das im November 1919 verkündete Endergebnis nicht berücksichtigt. Die Bilder der Sterne dort waren zu verschwommen, offenbar weil mit dem nachführbaren Spiegel, der das Licht in das Teleskop lenkt, etwas nicht in Ordnung war. Dass damit aber gerade die Werte aussortiert wurden, die nicht zu Einstein passten, ist das Kernargument der Kritiker. Eddington, sagen sie, habe sich aus der Gesamtheit der einander widersprechenden Daten einfach die ihm genehmen herausgepickt.

          Sir Frank Watson Dyson (1868 bis 1939) analysierte die in Brasilien gemachten Aufnahmen der Finsternis – wie viele Astronomen damals sah er EinsteinsRelativitätstheorie zunächst skeptisch.
          Arthur Stanley Eddington (1882 bis 1944) war ein sehr prominenter theoretischer Astrophysiker. Am 29. Mai 1919 beobachtete er die Sonnenfinsternis von der Insel Principe aus.

          Allein, es war nicht Eddington. Wie Daniel Kennefick ausführlich dokumentiert, wurden die Platten aus Sobral in Greenwich von Frank Dyson ausgewertet. Er war es, der die nicht zu Einsteins allgemeinen Relativitätstheorie passenden Datenpunkte aussortierte. Und er tat es offenbar tatsächlich wegen eines vermuteten systematischen Fehler an dem betreffenden Instrument. Einen anderen Grund kann er laut Kennefick nicht gehabt haben, denn Dyson stand, wie die meisten Astronomen damals, Einsteins Theorie skeptisch gegenüber.

          Werden die beiden Finsternis-Expeditionen von 1919 im Lichte dieser historiographischen Informationen tatsächlich wieder zu dem klassischen Fall der unbestreitbaren Bestätigung einer falsifizierbaren Theorie? Nicht, wenn man sich anschaut, wie die Geschichte weiterging. Im September 1922 gab es wieder eine totale Sonnenfinsternis, zu der unter anderem Astronomen des Lick Observatory in Kalifornien eine Expedition nach Australien ausrüsteten, um Sternverschiebungen zu messen. Laut dem Wissenschaftshistoriker Jeffrey Crelinsten erkundigte sich Dyson bei dem Leiter der amerikanischen Expedition anschließend neugierig nach den Ergebnissen: „Die Resultate der Finsternis von 1919 passen zu Einstein. Aber es könnte sein, dass Ihre Ergebnisse das nicht bestätigen“, schrieb er. Und in diesem Fall, so Dyson, wäre es nötig, 1923 in Mexiko noch einmal eine Finsternis zu beobachten.

          Falsifikation? Leicht gesagt, Herr Popper

          Dazu kam es nicht, denn nachdem die Amerikaner ihre australischen Messungen veröffentlicht hatten, schrieb Dyson: „Ich glaube nicht, dass es noch den Schatten eines Zweifels an der Korrektheit von Einsteins Vorhersagen der Lichtablenkung gibt, was für Schwierigkeiten auch immer im Rest der Theorie gefunden werden mögen.“

          Dyson, dem Einsteins medialer Triumph im November 1919 mehr zu verdanken ist als dem bekennenden Einstein-Fan Eddington, sah die Theorie also auch nach bestandenem Test noch skeptisch. Damit behalten Collins und Pinch durchaus recht, wenn sie in ihrem Resümee der Vorgänge um die Sonnenfinsternis 1919 schreiben: „Die Vorstellung von der quasi-logischen Ableitung einer Prognose, gefolgt von deren Überprüfung durch einfache Beobachtung, ist schlicht falsch.“ Aber dies folgt nicht, weil bei der Auswertung der Finsternis-Daten von 1919 unredlich oder auch nur zu wenig vorurteilsfrei vorgegangen worden wäre und derlei aufgrund der sozialen Natur jeglicher Wissenschaft eben unvermeidlich sei. Vielmehr ist auch Naturwissenschaft ganz grundsätzlich nie ein rein empirisches Unternehmen, sondern eines, bei dem Überzeugungen und Weltbilder den Raum zwischen den Datenpunkten füllen und ihn, wenn es sein muss, auch mal sprengen. Nichts zeigt das besser als die Antwort, die Einstein einst der Philosophin Ilse Rosenthal-Schneider gab, als sie ihn fragte, was gewesen wäre, hätten die Finsternisdaten 1919 seiner Theorie widersprochen. „Dann“, antwortete ihr Einstein, „dann könnt’ mir halt der liebe Gott leid tun, die Theorie stimmt doch.“

          Literatur

          Daniel Kennefick, „No Shadow of a Doubt. The 1919 Eclipse That Confirmed Einstein‘s Theory of Relativity“. Princeton University Press 2019. Jeffrey Crelinsten „Einsteins Jury“, Princeton University Press 2006.

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