Wir befinden uns im Jahre 1900 n. Chr. Die Bewegungen aller Objekte sind berechenbar ... Aller Objekte? Nein! Ein unbeugsamer Planet hört nicht auf, seine Bahn um die Sonne Jahr für Jahr um 5 Bogenminuten zu verschieben – von denen 42 Bogensekunden beim besten Willen nicht mit der bewährten Newtonschen Mechanik zu erklären sind. Das Leben ist nicht leicht für die Wissenschaftler in Oxford, Cambridge und Heidelberg.

Schlimmer noch! Da war ganz frisch bekannt, dass es sich beim Licht um elektromagnetische Schwingungen handelte – und nun konnte niemand den schwingenden Äther finden. Dabei hatte die Wissenschaftsgemeinde ihn schon fest eingeplant. Als absolutes ruhendes Grundgitter des Universums sollte er verlässliche Angaben über absolute Orte, absolute Geschwindigkeiten und absolute Zeiten geben. Und nun war er absolut abwesend.

Als erster traute sich der niederländische Physiker und Mathematiker Hendrik Antoon Lorentzen, an der Äther-Hypothese zu kratzen. Im Jahre 1904 veröffentlichte er eine Arbeit, nach der die Grundgleichungen der Elektrodynamik – und damit die Ausbreitung von Licht – in allen geradlinig und gleichförmig bewegten Koordinatensystemen die gleiche Form haben müssen. Wie man von einem System in das andere umrechnet, erläuterten seine später als Lorentz-Transformationen bezeichneten Gleichungen. Im Wesentlichen waren es die gleichen Formeln, wie Einstein sie ein Jahr später verbreiten sollte. Aber im Gegensatz zum jungen Albert klammerte Lorentz sich noch an die Vorstellung von einem absoluten Raum und einer absoluten Zeit.

Die Spezielle Relativitätstheorie

Das Zögern könnte ihn den Ruhm gekostet haben, denn 1905 erschien in den Annalen der Physik Einsteins berühmter Aufsatz: "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" – die Beschreibung der Speziellen Relativitätstheorie. Ohne von Lorentz' Artikel zu wissen, schob Einstein konsequent die Idee des Äthers beiseite und stützte sich auf zwei einfache Annahmen:

1. Alle geradlinig und gleichförmig zueinander bewegten Systeme sind gleichberechtigt. In ihnen gelten dieselben Naturgesetze.
2. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist für alle Beobachter gleich. Sie ist unabhängig davon, ob sich die Lichtquelle relativ zum Beobachter bewegt oder nicht.

Feste Höchstgeschwindigkeit

Hört sich nicht schlimm an, hat aber enorme Auswirkungen. Nehmen wir beispielsweise an, Sie fahren mit 150 km/h in einem Zug und gehen mit 5 km/h in Fahrtrichtung den Gang entlang. In der klassischen Physik addieren sich Ihre Geschwindigkeiten zu 155 km/h insgesamt. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten wird es jedoch komplizierter. Betrachten wir in Gedanken ein Raumschiff,das mit 290 000 km/s durchs Weltall rast und einen Laserstrahl mit 300 000 km/s abschießt. Wie schnell ist dieses Licht? 590 000 km/s?

Eben nicht! Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist nach Einsteins zweiter Regel immer rund 300 000 km/s. Und zwar sowohl für einen Astronauten im Raumschiff (das leuchtet ein), als auch für einen Kolonisten auf dem Planeten, an dem das Raumschiff vorbeifliegt. Kann nicht sein? Und doch haben Wissenschaftler am Teilchenbeschleuniger CERN bereits 1964 genau diesen Effekt bestätigt. Sie brachten Pionen annähernd auf Lichtgeschwindigkeit und stellten fest, dass deren ausgesandtes Licht auch nicht schneller war als von ruhenden Teilchen. Einsteins Annahme von der konstanten Lichtgeschwindigkeit trifft also zu, auch wenn sie dem "gesunden Menschenverstand" zuwiderläuft.

Relativ zum Bezugssystem

Das war aber noch nicht alles. Da die Systeme des Raumfahrers und des Beobachters auf dem Planeten gleichberechtigt sind, zugleich das Licht sich aber dem Tempo der Rakete zum Trotz stets gleich schnell ausbreiten muss, ist es nötig, die Raumkoordinaten und den Zeitverlauf der Systeme anzugleichen. Für beide gelten in ihrem jeweiligen eigenen Bezugsrahmen die gewohnten Daten. Die Werte des anderen Systems werden hingegen mit den Transformationsgleichungen von Lorentz umgerechnet. Es ist folglich wichtig, von welchem Bezugs- oder Inertialsystem man ausgeht oder anders ausgedrückt: relativ zu welchem Standpunkt man ein Ereignis beschreibt. Denn durch die Gleichwertigkeit der Systeme können sich beide Beobachter mit Recht als ruhend betrachten, erleben die gleiche Physik und schauen verwundert auf die seltsamen Vorgänge "beim anderen", die sich nach den Lorentz'schen Gleichungen ergeben.

Gedehnte Zeit und gestauchte Strecken

Und diese Vorgänge sind wahrlich abstrus. Den Formeln zufolge dehnt sich die Zeit eines sehr schnell bewegten Objekts, dafür verkürzen sich die Strecken – wohlgemerkt aus Sicht eines externen "ruhenden" Beobachters. Tatsächlich konnten Physiker die so genannte Zeitdilatation bereits mehrfach experimentell bestätigen. Sogar bei gewöhnlichen Interkontinentalflügen lässt sie sich nachweisen – vorausgesetzt, man hat eine Atomuhr, die den winzigen Effekt von wenigen Nanosekunden auflösen kann. Die bislang exakteste Prüfung fand 2003 am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik statt. Dort maßen Wissenschaftler um Guido Saathoff die Fluoreszenz von extrem beschleunigten Lithium-Ionen und stellten fest, dass die Verzögerung auf sechs Stellen hinter dem Komma genau eintraf.

"Gleichzeitig" gibt es nicht

Die Konstanz der Vakuumlichtgeschwindigkeit räumt nicht nur mit unseren Vorstellungen von einem absoluten Raum und einer festen Zeit auf, sie verwirft auch das Konzept der Gleichzeitigkeit. Angenommen künftige Siedler auf dem Mars und seinen beiden Monden würden sich per Lichtsignal bestätigen, dass sie Wasser gefunden haben. Dann könnte es sein, dass die Expeditionen auf Phobos und Deimos gleichzeitig ihre Lampen aufblitzen lassen und das Basislager auf dem Mars beide Signale zur selben Zeit erhält. Was würde der Pilot des Versorgungsschiffes sehen, das zufällig in dem Moment annähernd mit Lichtgeschwindigkeit vom Phobos zum Deimos fliegt? Wenn er sich zur Signalzeit auf halber Strecke befindet, saust das Licht aus beiden Richtungen mit derselben Geschwindigkeit auf ihn zu. Weil er selbst aber ebenfalls sehr schnell in Richtung Deimos fliegt, muss dessen Signal einen kürzeren Weg zurücklegen als jenes von Phobos. Die Lichtblitze treffen folglich nacheinander beim Raumschiff ein. Vorbei ist es mit der universellen "Gleichzeitigkeit". Ohne Angabe des Bezugssystems ist der Begriff nicht viel wert.

Schnell macht schwer

Nach der Newton'schen Mechanik wäre es einfach, ein Objekt sogar über die Lichtgeschwindigkeit hinaus zu beschleunigen. Schon eine kleine, aber ständig wirkende Kraft wäre ausreichend, um das Objekt immer schneller zu machen. Offenbar kommt Newtons Regelwerk nicht gut klar mit extrem großen Geschwindigkeiten. Dafür muss eine relativistische Betrachtung her, die den ungebremsten Rasern eine wachsende Bürde auflastet: Je schneller ein Objekt ist, umso größer wird seine Masse und umso schwerer ist es weiter zu beschleunigen. Am Grenzwert der Vakuumlichtgeschwindigkeit hätte die Masse den Wert unendlich erreicht und längst den Energiegehalt des gesamten Universums aufgezerrt. Bei den moderaten Bewegungen unseres Alltags gehen die relativistischen Formeln hingegen in das bewährte Konzept Newtons über – ein geradezu mustergültiger Bogen zwischen Tradition und Fortschritt.

E=mc²

Masse und Energie waren auch in den Jahren nach Einsteins grundlegendem Artikel aus dem Jahr 1905 die Hauptakteure in der weiteren Entwicklung der Speziellen Relativitätstheorie. Aus den Studien der Elektrodynamik war bekannt, dass die Masse von beschleunigten Elektronen mit ihrer Energie zusammenhing. Der französische Mathematiker Jules Henri Poincaré erweiterte den Gedanken auf die Energie und Masse eines strahlenden Körpers. Aber erst Einstein und Max Planck wagten den Schritt von exotischen Spezialfällen zum allgemeinen Gesetz, wobei weitere Wissenschaftler ebenfalls wichtige Beiträge lieferten. Was herauskam, ist inzwischen die berühmteste physikalische Formel der Welt:



Diese elegante Gleichung prangt auf T-Shirts, Kaffeetassen, Plakaten ... Sie gibt quantitativ wieder, dass Energie und Masse eigentlich zwei Seiten der selben Medaille sind. Einstein selbst hielt dies für die wichtigste Erkenntnis der Relativitätstheorie, doch er glaubte nicht, dass zu seinen Lebzeiten eine experimentelle Prüfung möglich wäre. Zu klein war der erwartete Effekt.

Hier irrte das Genie. Der Energiehunger unserer Zivilisation führte schon bald zu den ersten Atomreaktoren – und ihre Zerstörungswut zur Atombombe. Beide nutzen den winzigen Massendeffekt bei der Spaltung schwerer radioaktiver Isotope. Wenn Uran zerfällt, haben alle entstandenen Teilchen zusammen weniger Masse als der Ursprungskern. Der Rest ist nach Einsteins Formel in pure Energie umgewandelt, zum Nutzen oder zum Schaden der Menschheit.

Einen viel älteren Reaktor sehen wir jedoch bei gutem Wetter hoch am Himmel stehen: Auch die Sonne nutzt den Massendefekt und die Äquivalenz von Energie und Masse. Sie verschmilzt dafür leichte Wasserstoffkerne zu Heliumkernen – ein Prozess, den Ingenieure zu gerne in Fusionskraftwerken auf die Erde holen würden.

Sogar der umgekehrte Weg – von der Energie zur Materie – ist möglich und technisch sogar realisierbar. Bei diesem Vorgang bilden sich beispielsweise in starker Röntgenstrahlung spontan Paare von Elektronen und Positronen. Angesichts dieser Abläufe machte es keinen Sinn mehr, von einer strikten Erhaltung der Masse im Universum zu sprechen. An die Stelle dieses Satzes trat das Gesetz von der Energieerhaltung in einem abgeschlossenen System.

Die Allgemeine Relativitätstheorie

Das "spezielle" an der Speziellen Relativitätstheorie ist, dass sie nur für gleichförmig bewegte Objekte gilt. Beschleunigen oder Bremsen sehen die Gleichungen nicht vor. Elf Jahre dauerte es, bis Einstein in einem weiteren Aufsatz diese Beschränkung aufheben und das Gedankengebäude um einen wichtigen Mitspieler erweitern konnte: die Gravitation.

Träge ist schwer

Für Newton war Gravitation noch eine Kraft, mit der zwei Körper einander anziehen. Stehen wir auf der Erde, so hält uns ihre und unsere Masse am Boden. Auf dem Jupiter mit seiner größeren Masse wäre der Zug nach unten ungleich stärker. Eine ähnliche Beobachtung können wir auch machen, wenn wir Fahrstuhl fahren: Beschleunigen wir nach oben, drückt uns die Trägheit nieder, bremst der Lift ab, fühlt es sich wie ein leichtes Schweben an. Einstein ging in seinem Artikel "Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie" (1916; Annalen der Physik) davon aus, dass beide Effekte nicht zu unterscheiden sind: Schwere Masse auf Grund von Gravitation und träge Masse durch Beschleunigung sind äquivalent.

Wieder hat die einfache Annahme erhebliche Folgen. Leuchtet ein Raumfahrer mit einem Laserstrahl senkrecht zur Flugrichtung aus dem Fenster, erscheint der Lichtstrahl von außen betrachtet gebogen. Sein Anfang ist bei einem Flug von links nach rechts viel weiter links gestartet als der mittlere oder letzte Teil. Wenn beschleunigte Bewegungen gerade Bahnen von Objekten oder Licht verbiegen können und Beschleunigung äquivalent zu Gravitation ist, dann müsste auch die Anziehungskraft einer großen Masse krumme Strahlen hervorbringen.

Mit der Vorhersage, bei einer Sonnenfinsternis würden die Sterne dicht neben der Sonne am falschen Platz zu sehen sein, weil die Masse der Sonne das Sternenlicht "verbiegt", stellte Einstein seine Theorie auf die Probe. Erfolgreich! Am 29. Mai 1919 beobachtete Sir Arthur Eddington genau die prognostizierte Abweichung – Einstein wurde beinahe über Nacht zum gefeierten Star.

Verbogene Raumzeit

Die Erklärung klingt abermals skurril: Massen verformen den umgebenden Raum. Wie eine schwere Bowlingkugel auf einem Trampolin eine Mulde in das Tuch zieht, verzerren Massen den dreidimensionalen Raum auf sich zu. Eine Tennisball oder ein anderes Objekt, das vorbei will, wird dadurch von seinem geraden Weg abgelenkt. Einsteins Modell geht aber noch einen Schritt weiter: Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie sind die drei Raumdimensionen untrennbar eng mit der Zeit verbunden zur so genannten Raumzeit. Und auf sie wirkt die Gravitation, weshalb auch die Zeit in der Nähe großer Massen von außen betrachtet langsamer wird.

Im Jahre 1968 bestätigte Irwin Shapiro von der Harvard University die Verzögerung elektromagnetischer Strahlung in einem Gravitationsfeld. Er stellte fest, dass Radarwellen, die von der Erde ausgesandt und von der Merkuroberfläche reflektiert werden, länger unterwegs sind, wenn sie dicht an der Sonne mit ihrem starken Schwerefeld vorbei müssen. Diesen so genannten Shapiro-Effekt haben inzwischen weitere Forscher mit unterschiedlichen kosmischen Objekten mehrfach überprüft und für gültig erklärt.

Nicht nur gewaltige Massen von der Größenordnung der Sonne wirken sich nachweisbar auf die Geometrie der Raumzeit aus, sogar der Einfluss unserer Erde ist inzwischen messbar. Durch ihre Rotation verwindet sie die Raumzeit, was lange Zeit nur theoretisch als Lense-Thirring-Effekt bekannt war. Aus den exakten Positionen der Satelliten Lageos und Lageos 2 über elf Jahre hinweg bestimmten die Physiker Ignazio Ciufolini von der Universität von Lecce und Erricos Pavlis von der Universität Maryland geringe Bahnabweichungen, die trotz Berücksichtigung aller nicht-relativistischen Einflüsse immerhin noch zwei Meter betrugen – der Beitrag einer verzerrten Raumzeit.

Linsen aus Schwerkraft
Den schönsten Beweis für die Allgemeine Relativitätstheorie liefern aber die Gravitationslinsen in den fernen Weiten des Weltalls. Wie optische Linsen biegen sie Licht, das eigentlich an der Erde vorbeifallen müsste, auf neue Bahnen, sodass einige Objekte in großen Teleskopen zwei- oder vierfach sichtbar werden oder gar wie ein Ring erscheinen. Eine ganze Galerie dieser Bilder hat das Hubble-Teleskop gesammelt und die Wirkung der Gravitation auf die Ausbreitung des Lichts damit buchstäblich vor Augen geführt.

Tiefste Schwärze

Die Krümmung der Raumzeit kann so weit gehen, dass sogar Licht, das zu nahe kommt, auf die zentrale Masse stürzt und nicht mehr entfliehen kann. An der Grenzlinie ist die Krümmung so stark, dass die Zeit stehen bleibt. Diese Massenmonster erfreuen sich als Schwarze Löcher besonders bei Sciencefiction-Autoren großer Beliebtheit. In der Realität sind sie noch nicht ganz sicher nachgewiesen, allerdings deuten viele Beobachtungen darauf hin, dass es Schwarze Löcher wirklich gibt.

Bewiesenermaßen abstrus

Anhand der Bahndaten von Satelliten, den mehrfach erscheinenden Abbildern entfernter Galaxien und den Umlaufbahnen von Planeten, Pulsaren und Doppelsternen haben Wissenschaftler inzwischen immer wieder die Gültigkeit der Relativitätstheorie überprüft. Jedes Mal kamen sie zu dem Ergebnis: Es stimmt! Obwohl wir uns die Effekte kaum vorstellen können. Aber wie Einstein selbst gesagt hat: "Man soll die Dinge so einfach wie möglich machen, aber nicht noch einfacher."