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Albert Einstein, Raum und Zeit
Happy Birthday, Relativitätstheorie

Albert Einstein und seine Briefe
Albert Einstein und seine Briefe FOTO: ap
Düsseldorf. 100 Jahre ist es her, dass Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie vorstellte und unsere Vorstellung von Raum und Zeit revolutionierte. Das Universum wurde dadurch berechenbar. Von Ludwig Jovanovic

Was hält das Universum zusammen? Es ist eine scheinbar philosophische Frage, für die der Physiker Albert Einstein an der "Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin" eine Antwort gefunden hatte - vor 100 Jahren, am 25. November 1915.

Einstein galt schon damals als genialer Querdenker, der seine Physiker-Karriere aber als eher erfolgloser Wissenschaftler im Berner Patentamt begann und lediglich Gedankenexperimente wagen konnte. Doch seine Überlegungen führten ihn 1905 zur Speziellen Relativitätstheorie. Mit der damals revolutionären Idee, dass die Lichtgeschwindigkeit mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde eine Naturkonstante ist.

Damit die Konstante eine Konstante sein kann, folgte daraus unter anderem, dass bewegte Uhren langsamer gehen müssen. Diese Theorie hatte einen Nachteil: Sie galt nur für einen speziellen Fall - nämlich dass die Bewegung gleichförmig in einer Richtung verläuft. Keine Kraft würde wirken, und nichts würde beschleunigt werden. So aber konnte Einstein kaum erklären, was das Universum zusammenhält.

Populäre Irrtümer – wir klären auf! FOTO: AP

Nach und nach veröffentliche er Ergebnisse seiner Überlegungen, und am 25. November 1915 konnte er schließlich die Allgemeine Relativitätstheorie in ihrer gesamten Eleganz präsentieren. Grundlage dafür war ein offenes Fenster, durch das Einstein 1907 blickte. Er sah einen Arbeiter auf einem Dach. "Ich saß auf meinem Stuhl im Patentamt in Bern. Plötzlich hatte ich einen Einfall", schrieb er. Er fragte sich, was wäre, wenn der Arbeiter vom Dach fiele. Es war keine Lust am Morbiden, die ihn bewegte, sondern der buchstäbliche Fall.

Der Arbeiter würde sich beim Sturz schwerelos fühlen. Eine Erfahrung, die jeder kennt. Sei es auf dem Trampolin oder wenn man mit dem Auto über ein Bahngleis fährt: Kurz wird man im Sitz nach oben gerissen und fällt wieder zurück. Aber warum fühlt man sich für einen Moment so, als ob keine Kraft wirkt - obwohl die Schwerkraft einen nach unten zieht? Die erste Erklärung ist simpel: Die Schwerkraft spüren wir nur, solange wir uns auf einer festen Fläche bewegen. Die Gravitation zieht uns runter, die Fläche drückt uns hoch. Im freien Fall drückt nichts, weil es keine Fläche als Widerstand gibt.

Das reichte Einstein nicht, und er drehte den Gedanken weiter. Er hatte die Idee einer fensterlosen Aufzugkabine. Wer in ihr steckt, kann nicht nach draußen sehen. Er spürt den Boden unter sich und geht davon aus, dass er sich auf der Erde aufhält. Wenn er etwas fallen lässt, schwebt es nicht, sondern fällt zu Boden. Doch kann sich der Aufzug-Passagier sicher sein, dass er auf der Erde ist? Er könnte auch in einem Raumschiff sein - mit Düsen am Boden.

Schwarze Löcher, ferne Galaxien, explodierende Sonnen FOTO: ap

Das Raumschiff würde konstant beschleunigen. Mit einem Wert, der der Schwerkraft auf der Erde entspricht. Die Kraft, die der Passagier spürt, die alles zu Boden fallen lässt, wäre dann das Ergebnis der Beschleunigung der Rakete. So wie man beim rasanten Anfahren im Auto gegen den Sitz gedrückt wird. Der Aufzug-Passagier kann sich in seiner fensterlosen Kabine nicht sicher sein, ob er auf der Erde oder nicht doch in einer Rakete ist. Dann aber, so Einsteins Idee, gibt es die Schwerkraft vielleicht gar nicht. Sie ist mehr oder weniger eine Illusion und nichts anderes als eine Beschleunigung in Richtung des Erdbodens. Doch wie kommt es dazu?

Die Erde krümmt den Raum

Nehmen wir zwei Gewichte, stellen sie nebeneinander und lassen sie aus einem Meter fallen. Beide scheinen in gerade Linie nach unten zu stürzen - parallel zueinander. Jetzt verschieben wir die Gewichte in eine Höhe von 1000 Kilometer. Dann können sie nicht mehr parallel zueinander fallen. Sie stürzen auf den Erdmittelpunkt: Die Bahnen bilden einen Winkel wie bei den Speichen eines Rades, die vom Rand zur Nabe führen; wie die Linien auf der Oberfläche einer Kugel.

Da hatte Einstein die zweite Idee: Die Erde übt keine Kraft aus, sondern sie krümmt den Raum. Sie bildet mit ihrer Masse einen Trichter im Gefüge aus Raum und Zeit, die sogenannte Raumzeit, in den wir hineinfallen. Die Kraft, die wir meinen zu spüren, ist nur ein Maß für die Krümmung der Raumzeit. Und das gilt nicht nur für die Erde, sondern für jeden Körper im Universum mit Masse. Eine geniale, revolutionäre Idee. Einstein benötigte Jahre, um den komplexen mathematischen Formalismus zu entwickeln, der sein neues Universum beschreibt.

Dafür konnte er mit seiner neuen Allgemeinen Relativitätstheorie eine Lösung für ein Mysterium präsentieren: Die gesamte Umlaufbahn des Planeten Merkur um die Sonne verschiebt sich mit jedem Umlauf. Grund ist die Schwerkraft der anderen Planeten. Aber der berechnete Effekt nach der klassischen Physik fiel kleiner aus als das, was man tatsächlich beobachten konnte. Eine überzeugende Erklärung gab es bis 1915 nicht. Einstein aber konnte mit seiner Theorie diese Bahndrehung des Merkur berechnen.

Zudem folgerte er daraus, dass das Licht der Sterne von einem massereichen Körper wie der Sonne abgelenkt werden müsste. Auch das konnte 1919 während einer Sonnenfinsternis nachgewiesen werden. Der Priester und Physiker Georges Lemaitre leitete aus Einsteins Theorie 1927 ab, dass es einen Urknall gegeben haben musste - als Ursprung des Universums.

Beschreibung eines Schwarzen Lochs

Und der Physiker Karl Schwarzschild beschrieb 1916 mithilfe der "neuen" Relativitätstheorie ein theoretisches Konstrukt, das wir heute als "Schwarzes Loch" kennen: Ein massiver Stern bricht am Ende seiner Lebenszeit unter seiner Masse zusammen, die sich auf einen Punkt verdichtet.

Dabei wird die Raumzeit so gekrümmt, dass nicht einmal das Licht entkommen kann. 1971 wurde das erste Schwarze Loch entdeckt. Auch die Tücken der GPS-Satellitennavigation mit ihren hochpräzisen Zeitmessungen ließen sich dank Einstein in den Griff kriegen.

In den vergangenen 100 Jahren eröffnete die Allgemeine Relativitätstheorie einen neuen Blick auf den Kosmos - auch wenn dafür Isaac Newtons klassische Vorstellung vom Thron gestoßen wurde. Dem britischen Gelehrten des 17. Jahrhunderts hätte das vielleicht sogar gefallen: Newton hatte 1686 die Gravitation entdeckt und die Gleichung zur Berechnung ihrer Wirkung formuliert. Aber er hatte keine Erklärung für diese "Schwerkraft".

Quelle: RP
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