100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie

Wer heute sein Navi einschaltet, findet auch mit Hilfe von Albert Einstein zum Ziel. Erst die Allgemeine Relativitätstheorie ermöglicht die gewünschte Genauigkeit der Satellitennavigation. Diese praktische Anwendung konnte Einstein nicht vorhersehen, als seine umwälzende Theorie vor 100 Jahren, am 11. Mai 1916, im Fachblatt "Annalen der Physik" veröffentlicht wurde.

Die Wirkung seiner Arbeit war jedoch viel tief greifender: Mit der Allgemeinen Relativitätstheorie revolutionierte das Jahrhundertgenie das Weltbild der Physik - auch wenn das nicht sofort klar war. Immer wieder haben sich Einsteins Vorhersagen in der Realität bestätigt. Im Jubiläumsjahr krönt nun der erste direkte Nachweis sogenannter Gravitationswellen die Allgemeine Relativitätstheorie. Die Wellen werden der Theorie zufolge von großen Massen erzeugt, wenn diese sich bewegen, und verzerren den Raum selbst. Das gerade aufgerüstete Ligo-Observatorium in den USA konnte erstmals die Gravitationswellen von zwei Schwarzen Löchern auffangen, die in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung von der Erde verschmolzen waren.

"Das ist mit Sicherheit der Beginn einer neuen Ära in der Astronomie", urteilte der Direktor am Albert-Einstein-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Potsdam und Hannover, Bruce Allen, bei der Präsentation der Entdeckung im Februar. An Allens Institut, das an der internationalen Ligo-Kooperation beteiligt ist, war das Signal zuerst bemerkt worden. Die Beobachtung bestätigte nicht nur die Existenz von Gravitationswellen, sondern auch von verschmelzenden Schwarzen Löchern.

Vor 100 Jahren stellte Einstein seine Relativitätstheorie auf

Die Allgemeine Relativitätstheorie hat sich damit selbst dort als erfolgreich erwiesen, wo ihr Entdecker es nicht für möglich hielt. "Einstein hat nicht geglaubt, dass man Gravitationswellen jemals nachweisen können wird, und er hat nicht an Schwarze Löcher geglaubt", betont Allen. "Ich denke, er würde sich freuen, dass er in beiden Punkten unrecht hatte."

Jahrtausendereignis der Wissenschaft

Den Kern seiner Theorie hatte Einstein bereits ein paar Monate vor der Veröffentlichung in den "Annalen" an der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin vorgestellt. "Es war ein Jahrtausendereignis der Wissenschaft, das damals in Berlin stattgefunden hat", urteilt Hermann Nicolai, ebenfalls Direktor am Albert-Einstein-Institut. "Aber es ist erst im Laufe der folgenden Jahrzehnte klar geworden, was das für eine Leistung war."

Schon zehn Jahre zuvor hatte Einstein seine Spezielle Relativitätstheorie veröffentlicht. Sie besagt, dass sich Raum und Zeit nicht getrennt voneinander messen lassen. Einstein erkannte, dass Gleichzeitigkeit nur eine relative Eigenschaft ist, die von der Wahl des Beobachters abhängt: Zwei räumlich getrennte Ereignisse, die dem einen als gleichzeitig erscheinen, können für einen anderen nacheinander ablaufen. Nur am selben Ort ist die Gleichzeitigkeit zweier Ereignisse eindeutig. Die Spezielle Relativitätstheorie führt über die Vereinigung von Raum und Zeit zu einer vierdimensionalen Raumzeit. Die Zeit verlor damit ihren Status als absolute Größe.

Paradigmenwechsel

In seine Allgemeine Relativitätstheorie bezog Einstein die Schwerkraft (Gravitation) mit ein. Die Theorie besagt, dass die Raumzeit durch Masse verzerrt wird - ähnlich wie etwa eine Bowling-Kugel ein Trampolin einbeult. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer die Masse ist. "Das war ein Paradigmenwechsel", erläutert Nicolai. "Die Aussage ist, dass die Schwerkraft eine Folge der verkrümmten Geometrie von Raum und Zeit ist." So wie ein Tennisball auf einem anderen Weg über ein Trampolin rollt, wenn es durch die Bowlingkugel eingedellt wird. Der Theorie zufolge wird durch die Verkrümmung der Raumzeit auch das Licht messbar abgelenkt, wenn sein Weg an einer großen Masse wie der Sonne vorbeiführt. Diese Vorhersage machte Einstein vier Jahre später auf einen Schlag weltberühmt.

Der Brite Sir Arthur Eddington hatte 1919 zwei von der Königlichen Astronomischen Gesellschaft RAS ausgerüstete Expeditionen zur Beobachtung einer Sonnenfinsternis entsandt. Während der Sonnenfinsternis vermaßen die Expeditionen die Position von Sternen neben der verdunkelten Sonne. Tatsächlich wichen die gemessenen Positionen während der Finsternis entsprechend der Vorhersage durch Einsteins Theorie von den vorher bestimmten Werten ab. "Das war ein spektakulärer Erfolg, der Einstein auf die Titelseiten der Weltpresse brachte", sagt Nicolai. "Die Sterne sind nicht, wo sie zu stehen scheinen", schrieb etwa die "New York Times" damals. "Aber niemand muss sich sorgen."

Schockwellen

Diese erste experimentelle Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie sandte Schockwellen durch das wissenschaftliche Establishment. Heute benutzen Astronomen diesen Effekt als natürliches Teleskop. Denn große Massen im All wie eine Galaxie können das Licht dahinterliegender, weit entfernter Objekte bündeln und wie eine Lupe verstärken. Die Forscher nennen das eine Gravitationslinse.

Schwarze Löcher, Urknall, die stetige Ausdehnung des Universums - das alles lässt sich mit der Allgemeinen Relativitätstheorie erklären. "Die ganze moderne Kosmologie fußt auf den Einstein-Gleichungen", betont Nicolai. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat sich nach Nicolais Worten zu einem Grundpfeiler der modernen Physik entwickelt: "Es gibt heute eigentlich nur zwei grundlegende physikalische Theorien: die Quantentheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie."