Er ließ Raum, Zeit und Materie zu einem Ganzen verschmelzen

ALBERT EINSTEIN (1879 – 1955): Wissenschaftler, Nobelpreisträger und Humanist.

Weltbekannt wurde er als der freundliche, zerstreute Professor mit wirrer Frisur und sympathisch zerfurchtem Gesicht. Sein Einfluss als Wissenschaftler begann vor 100 Jahren und noch immer erfüllt seine Weisheit die wissenschaftliche Welt mit Erfurcht. Zwei seiner ersten Veröffentlichungen aus dem Jahr 1905 veränderten das Weltbild der Wissenschaft vollständig. Für eine der beiden erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

Licht aus Energiepaketen

Vor Einstein ging man zum Beispiel davon aus, dass man Licht vollständig als Welle beschreiben könnte. Im Jahr 1905 zeigte Einstein jedoch, dass Licht aus elementaren Energiepaketen, den Photonen, besteht („Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“).

Licht kann Elektronen, negativ geladene Elementarteilchen, aus Metalloberflächen lösen. So nahm man an, dass die Geschwindigkeit (die Energie) der ausgelösten Elektronen durch die Leuchtkraft (Intensität) des Lichtes bestimmt sei. Laut Einstein aber sollte die Intensität des Lichtes nur die Menge der aus einem Metall ausgelösten Elektronen bestimmen, nicht aber deren Energie. Jene würde erst zu oder abnehmen, wenn man die Farbe des Lichtes (also seine Wellenlänge) ändert. Allerdings nur für bestimmte Farben des Lichtes ergibt sich tatsächlich eine (sprunghafte) Änderung der Energie der Elektronen.

Nur paketweise und unabhängig von der Intensität kann die Energie des Lichtes durch die Elektronen aufgenommen werden. Diese später im Experiment eindrucksvoll bestätigte Theorie über das Wesen des Lichtes widersprach der damaligen Lehrmeinung über die Eigenschaften des Lichtes vollständig und war von so elementarer Bedeutung für die nachfolgende Wissenschaft, dass man Albert Einstein 1921 dafür den Nobelpreis für Physik verlieh.

Das Universum hat unterschiedliche Zeiten

Von noch grundlegenderer Bedeutung für die Physik ist die „Zeit“, welche sich aber vor Einstein der wissenschaftlichen Betrachtung zu entziehen schien, und als kontinuierlich dahin fließend angenommen wurde. Vor allen Dingen aber dachte man, dass eine Uhr, egal wohin man sie im Universum bringt, überall gleich schnell läuft, die Zeit also überall gleich sein würde. Einstein zeigte jedoch, ebenfalls 1905, in seiner Arbeit „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, dass ein relativ zu einer ruhenden Uhr kontinuierlich bewegtes, identisches Exemplar langsamer läuft und stellte somit wiederum das Weltbild der damaligen Physik auf den Kopf – in Wirklichkeit rückte er es aber zurecht. Die Relativitätstheorie war geboren und bot einen völlig neuen Blick auf unser Universum dar, was besonders für die Erweiterung der speziellen Relativitätstheorie zur allgemeinen Relativitätstheorie (1916) galt. In ihr ließ Einstein Raum, Zeit und Materie zu einem Ganzen verschmelzen.

So ist die Bahnbewegung des Merkurs (des sonnennächsten Planeten) ohne die Berücksichtigung relativistischer Effekte nicht erklärbar. Der Merkur bewegt sich nicht wie die anderen Planeten auf einer elliptischen Bahn um die Sonne. Besonders durch den Einfluss der Venus ist seine Bahn rosettenförmig also nicht zu einer Ellipse geschlossen und scheint sich selbst um die Sonne zu drehen. Jedoch konnte mit der herkömmlichen Rechenmethode, der Newtonschen Mechanik, jene Bahnbewegung nicht exakt berechnet werden. Beobachtungen zufolge ist die tatsächliche Drehung der Umlaufbahn um 0,43 Bogensekunden pro Jahr (Bogensekunden 1“=1/3600 Grad) kleiner.

In der allgemeinen Relativitätstheorie wird beschrieben, wie die Masse das Raum- Zeitgefüge modelliert. In der Nähe von sehr großen Massen vergeht die Zeit merkbar langsamer als weit davon entfernt. Nur weil unser Heimatgestirn die Erde „so leicht“ ist, sind solche Effekte im täglichen Leben nicht erfahrbar. Sonst würden nicht nur die Turmuhren in den Bergen ständig vorgehen, jede kleine oder große Bewegung würde dort merkbar schneller ablaufen. Die Masse der Sonne aber ist mehr als 330.000-mal größer als die der Erde. Im Perihel, dem sonnennahsten Punkt seiner Umlaufbahn, ist die Distanz zwischen Sonne und Merkur relativ klein und die Krümmung des Zeitraumes um die Sonne besonders stark. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Einfluss, wie durch einen dritten sonnennahen Planeten, der die Bahnbewegung stört. Einstein konnte die dadurch verursachte geringfügige Abweichung mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie erklären und bestätigte somit ihre Korrektheit („zur Erklärung der Perihelbewegung des Merkur aus der allgemeinen Relativitätstheorie[1915]“).

Licht spaziert um die Ecke

In der gleichen Arbeit sagte Einstein auch die Ablenkung des Lichtes durch die Krümmung der Raum-Zeit in Sonnennähe voraus. Betrachten wir zum Beispiel einen Stern am Himmel, dann glauben wir vielleicht, dass sein Licht unser Auge auf gerader Linie erreicht hat. Der Weg den es zu uns zurückgelegt hat, verlief jedoch mal hier und mal dort vorbei an massereichen Objekten, mehr oder minder stark abgelenkt. Schließlich erscheint das Licht dieses Sterns als leuchtender Punkt am Firmament.

Ein Beweis für diesen Effekt sind die Sterne, welche im kurzen Moment einer Sonnenfinsternis (dabei verdeckt der Mondschatten die Sonnenscheibe) ganz dicht am Rand des Szenarios zu sehen sind. Jene Objekte, so sagte Einstein voraus, können gesehen werden, obwohl sie komplett von der Sonnenscheibe (im Sinne der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes) zugedeckt sein sollten. Warum kann man diese Sterne tatsächlich beobachten? Es gibt nur eine Erklärung. Der Lichtstrahl wird um die Sonne herum gelenkt.

Licht hat Gewicht und wird in der Nähe massereicher Objekte abgelenkt. Falls aber die Raum-Zeit zusätzlich, ohne Betrachtung der die Raum-Zeit um sich krümmenden massereichen Objekte, in sich selbst gekrümmt sein sollte, wie könnte man das nachweisen?

Vorschau auf die nächste Ausgabe: Einsteins Erkenntnisse zu Gravitationswellen

Insbesondere die allgemeine Relativitätstheorie stellt für die Wissenschaftler noch heute Rätsel dar. So versucht man heute, die sogenannten Gravitationswellen einerseits durch astronomische Beobachtungen, andererseits durch Messanordnungen mit Lasern zu detektieren.

Gravitationswellen sind periodische Änderungen in der Struktur der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Wie kann aber man Gravitationswellen aber aufspüren? Indizien ihrer Existenz fanden die Wissenschaftler Hulse und Taylor durch langjährige Beobachtungen der Verlangsamung der Bahnperiode eines Pulsars (rotierender Neutronenstern, der hochenergetische pulsierende Radiostrahlen aussendet) heraus. Die Abnahme der Periode konnten sie, im Einklang mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, durch Energieverluste erklären, welche durch das Abstrahlen von Gravitationswellen entstehen. Dafür erhielten sie 1993 den Nobelpreis für Physik.