Einsteins größter Geniestreich
Mit seiner Relativitätstheorie zeichnete Albert Einstein 1915 ein völlig neues Bild von der Gravitation. Es brachte unsere Vorstellung von Zeit und Raum gehörig durcheinander. Das Meisterwerk beeinflusst uns noch heute. Fachleute stellten die Theorie aber immer wieder auf die Probe.
Tilmann Sauer, Wissenschaftshistoriker, Universität Bern: "Es ist sicherlich eine der Leistungen Einsteins, die am meisten die Physik beeinflusst haben."
Jürgen Renn, Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte, Berlin: "Was mich wirklich fasziniert, dass diese Theorie aufgrund so weniger intuitiver Hinweise entstanden ist."
Dennis Lehmkuhl, Wissenschaftshistoriker, California Institute of Technology, USA: "Die allgemeine Relativitätstheorie geht ganz auf Einsteins Ideen zurück. Das war so originell, dass es überhaupt nicht klar ist, ob es nicht 100 Jahre länger gedauert hätte, bis jemand anderes auf diese Idee gekommen wäre."
25. November 1915, Berlin, die Preußische Akademie der Wissenschaften. Albert Einstein stellt eine Reihe abstrakter, mythisch anmutender Formeln vor - die Grundgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie. Eine Revolution der Physik, eine neues, bahnbrechendes Modell der Gravitation. Wie war die Theorie entstanden? Wie wurde sie bewiesen? Und wie spielt sie heute in unseren Alltag hinein?
Einstein: "Das Schönste und Tiefste, was der Mensch erleben kann, ist das Gefühl des Geheimnisvollen. Es liegt allem tieferen Streben in Kunst und Wissenschaft zu Grunde."
Renn: "Man dachte Ende des 19. Jahrhunderts, dass die Physik als Gebäude im Wesentlichen feststeht und man hier und da noch ein paar Renovierungsarbeiten zu verrichten hat, aber dass die Fundamente bestehen bleiben würden. Das hat sich als falsch herausgestellt."
Die Zeit der Jahrhundertwende. Unerwartete Phänomene erschüttern die Grundfesten der Physik. Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt eine unsichtbare, durchdringende Strahlung. Marie und Pierre Curie beschreiben die Radioaktivität. Max Planck schafft die Grundlagen der Quantentheorie. Und 1905 verblüfft ein junger Angestellter des Schweizer Patentamts mit einer epochalen Arbeit: "Zur Elektrodynamik bewegter Körper; von A. Einstein"
E=mc² lautet Einsteins berühmteste Formel.© picture alliance / Georg Göbel
Die spezielle Relativitätstheorie. Das Licht, so Einsteins Ausgangspunkt, eilt mit konstanter Geschwindigkeit durchs All, mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde, und nichts auf der Welt kann schneller sein. Eine einfache Annahme. Einstein zieht aus ihr eine revolutionäre Erkenntnis: Raum und Zeit sind nicht absolut, sondern hängen vom Betrachter ab - der Raum erscheint zuweilen gestaucht, die Zeit gedehnt. Und: Energie und Masse sind wesensgleich - E=mc2, die berühmteste Formel der Welt. Doch bald wird klar: Der Geniestreich besitzt Makel.
Lehmkuhl: "Die spezielle Relativitätstheorie funktioniert nur für Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit. Und Einstein dachte, das ist noch keine konsequente Relativitätstheorie. Wirklich alle Bewegung sollte relativ sein. Eine wirklich verallgemeinerte Relativitätstheorie, die Bewegung zu etwas komplett Relativem macht."
Eine Theorie, die auch beschleunigte Bewegungen mit einbezieht, zum Beispiel das Kreisen eines Planeten um seinen Stern. Und da wäre noch ein weiteres Manko.
Sauer: "Das Problem war, dass die spezielle Relativitätstheorie begründet hatte, dass es keine Wechselwirkung gibt, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Während die Gravitationstheorie Newtons besagte, dass die Gravitationskraft eine Fernwirkungskraft ist, die sich unendlich schnell fortpflanzt. Diese beiden Eigenschaften passten nicht zusammen."
Fast zehn Jahre Arbeit am Widerspruch zwischen Einsteins und Newtons Theorien
Das Gravitationsgesetz von Isaac Newton. Damals in Sachen Schwerkraft das Maß aller Dinge. Doch es widerspricht der speziellen Relativitätstheorie, und zwar grundlegend. Um diesen Widerspruch aufzulösen, macht sich Einstein an die Arbeit. Fast zehn Jahre soll sie dauern. Ein Weg voller Hürden und Sackgassen.
Einstein: "Zu den Menschen zu gehören, die ihre besten Kräfte der Betrachtung und Erforschung objektiver Dinge widmen dürfen und können, bedeutet eine besondere Gnade."
1907 kommt Einstein ein erster, entscheidender Geistesblitz.
Lehmkuhl: "Wie häufig bei Einstein war der Ausgangspunkt ein Gedankenexperiment - das sogenannte Fahrstuhl-Gedankenexperiment. Man stelle sich vor, man befindet sich in einem Fahrstuhl. Man kann nicht aus dem Fenster gucken, man sieht nichts draußen. Man fühlt aber: Okay, ich stehe hier in einem Fahrstuhl."
Steht der Lift auf der Erde, verspürt der Fahrgast die Erdanziehung und wird mit seinem Körpergewicht nach unten gedrückt. Doch was, wenn der Fahrstuhl schwerelos im Weltraum schwebt und dann beschleunigt wird, und zwar mit einer Kraft, die genau dem Körpergewicht des Fahrgasts entspricht?
Lehmkuhl: "Einsteins Idee war, dass ein solcher Beobachter nicht entscheiden kann, ob das eine der Fall ist oder das andere. Befindet sich der Beobachter unter dem Einfluss eines Gravitationsfeldes? Oder befindet er sich unter dem Einfluss einer Beschleunigung?"
In beiden Fällen verspürt der Fahrgast die gleiche Kraft in Richtung Fußboden. Daraus folgert Einstein: Beschleunigungskräfte und Schwerkraft sind wesensgleich, oder anders formuliert: Träge und schwere Masse sind gleich. Das Äquivalenzprinzip, so heißt diese Annahme. Es bildet den Grundpfeiler der allgemeinen Relativitätstheorie. Doch das Wichtigste fehlt noch, das Kernstück - jene Gleichungen, die die Theorie exakt beschreiben. Erst 1911 kommt Einstein dazu, sie zu entwickeln. Zuvor hat er seine Karriere vorangetrieben, hat beim Berner Patentamt gekündigt und Professuren in Prag und Zürich angetreten.
Renn: "Der erste Schritt, den er machte: Er kam nach einer Weile darauf, dass er sagte: Am besten kann ich diese vereinheitlichten Kräfte beschreiben, wenn ich mir vorstelle, dass die drei Raumdimensionen gekrümmt sind. Auf diese Weise hat er den ersten Hinweis auf die mathematische Formulierung der Theorie gefunden. Nämlich die Theorie gekrümmter Flächen."
Der Physiker und Philosoph Sir Isaac Newton auf einem Gemälde der Royal Society, London.© dpa/picture alliance
Das Problem: Die Mathematik ist hochkomplex. Einstein muss sie sich mühselig beibringen.
Lehmkuhl: "Und da kam es ihm gelegen, es war wirklich Glück, dass er 1911 einen Ruf an die Universität Zürich bekommen hat, wo sein alter Studienfreund Marcel Grossmann Professor für Mathematik war."
Mit der Hilfe von Grossmann fahndet Einstein nach den Feldgleichungen - nach jenem Satz mathematischer Formeln, der die Gravitationstheorie kurz und bündig auf den Punkt bringt. Nur: Die Möglichkeiten sind fast unbegrenzt. Wie soll man in dieser Vielfalt die richtigen Formeln erkennen? Die Suche dauert Jahre. Erst im Herbst 1915 kommt Einstein, inzwischen am Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik in Berlin, seinem Ziel näher.
Lehmkuhl: "Er scheint gerade in diesen Monaten wirklich wie besessen daran gearbeitet zu haben."
Immer weiter engt Einstein den Kreis der in Frage kommenden Gleichungen ein.
Renn: "Dann gab's vier Arbeiten, die er jeweils der Akademie eine Woche nach der anderen in Berlin vorgestellt hat. Und hat sich dann Schritt für Schritt der richtigen Lösung angenähert. Am 25. November 1915 hatte er sie dann schließlich gehabt. Das war die offizielle Geburtsstunde der Theorie."
Die Fachwelt reagiert verhalten auf Einsteins Erkenntnis
Das Resultat: eine verblüffende Erkenntnis. Schwerkraft entsteht, indem Raum und Zeit durch die Anwesenheit von Masse gekrümmt werden. Zum Beispiel bei der Sonne: Mit ihrer gewaltigen Masse krümmt sie den Raum um sich herum. Auf diesen gekrümmten Bahnen laufen dann die Planeten um die Sonne herum. Ein Problem kann die neue Theorie sofort lösen - gewisse Abweichungen in der Umlaufbahn des Planeten Merkur. Das Gesetz von Newton vermag diese Schwankungen nicht zu erklären. Erst Einstein ist dazu in der Lage. Dennoch: Die Fachwelt reagiert verhalten.
Lehmkuhl: "Es gab einige Leute, die ganz klar gesehen haben: Das ist jetzt ein großer Wurf. Aber das war nicht die Mehrzahl der Physiker, und auf jeden Fall auch nicht die allgemeine Öffentlichkeit."
Renn: "Selbst so berühmte Leute wie der Nobelpreisträger Max von Laue, eng befreundet mit Einstein, haben gedacht: Ach, das ist so kompliziert, das kann nicht richtig sein."
Einstein ist enttäuscht. Auf die breite Anerkennung seines Werkes muss er noch warten.
Einstein: "Von einem Naturgesetz wird ausnahmslos Gültigkeit verlangt. Man verwirft es, wenn man davon überzeugt ist, dass eine seiner Folgerungen mit einer einzigen Erfahrungstatsache unvereinbar ist."
Endlich, 1919, liefert Arthur Eddington den Beweis.
Lehmkuhl: "Das war eine sehr aufregende Geschichte. Gerade zu der Zeit, 1919, ein Jahr nach dem ersten Weltkrieg: Ein englischer Wissenschaftler schlägt sich auf die Seite eines deutschen Wissenschaftlers, um Newton vom Thron zu stoßen. Und dann auch noch mithilfe einer Safari nach Afrika, um eine Sonnenfinsternis zu beobachten. Es war einfach eine sehr gute Story."
Für den Alltag scheint Einsteins Theorie damals ohne Belang. Denn auf der Erde sind die Massen so klein, dass sie die Raumzeit nur unmerklich krümmen. Anders bei der Sonne: Sie ist derart massiv, dass sie die Raumzeit messbar krümmen sollte. Also wagt Einstein eine spektakuläre Prognose: Bei einer Sonnenfinsternis müsste sich zweifelsfrei messen lassen, wie die Sonne das Licht entfernter Sterne ablenkt. Im Mai 1919 ergibt sich die Gelegenheit. Der britische Astronom Arthur Eddington reist nach Westafrika, um eine totale Sonnenfinsternis zu beobachten. Seine Aufnahmen widerlegen die Zweifel. Die Theorie gilt als bestätigt.
"Das hat Einstein zum Superstar gemacht."
Über die Sensation berichten Zeitungen in aller Welt. Albert Einstein wird zur Legende - und das nicht nur wegen seiner Glanztaten in der Wissenschaft.
Renn: "Einstein hatte sich im Krieg nicht so verhalten wie viele seiner Kollegen. Er hat diesen Hurra-Patriotismus nicht mitgemacht. Er hat sich für eine europäische Verständigung eingesetzt. Das war ein Symbol der Hoffnung für die Menschen. Und Einstein stand dafür."
Das Fundament der Relativitätstheorie scheint immer noch solide
1919 markiert zwar den Durchbruch für die allgemeine Relativitätstheorie. Dennoch führt sie lange ein Schattendasein. Das ändert sich erst ab den sechziger Jahren. Seitdem beobachten die Astronomen mit immer besseren Teleskopen mehr und mehr Phänomene, bei denen Newton versagt und die nur noch mit Einstein zu erklären sind: Quasare etwa, Neutronensterne, schwarze Löcher oder Indizien für den Urknall.
Und: Raffinierte Messverfahren stellen Einstein Theorie ein ums andere Mal auf den Prüfstand. Stimmt sie wirklich, oder versagt sie, wenn man nur genau genug hinschaut? Stimmt zum Beispiel das Äquivalenzprinzip, der Grundpfeiler von Einsteins Theorie - sind schwere und träge Masse wirklich gleich? Keine Selbstverständlichkeit, sagt Claus Lämmerzahl vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnik und Mikrogravitation in Bremen: "Wir wissen nicht, warum das Äquivalenzprinzip gilt. Es ist eine Erfahrungstatsache, der wir einfach Rechnung getragen haben."
Eine Antwort gibt 1976 ein ganz besonderes Experiment. 1969, die Apollo-11-Mission. Neil Armstrong, der erste Mann auf dem Mond, stellt Spiegel auf der Mondoberfläche auf. Später zielen Physiker von der Erde aus mit Laserpulsen auf sie und fangen die Reflexe wieder auf. Damit lässt sich präzise messen, wie lange das Laserlicht von der Erde zum Mond und zurück braucht.
Lämmerzahl: "Da wird der Abstand zwischen Erde und Mond sehr genau vermessen, auf einen Zentimeter genau. Wenn das Äquivalenzprinzip verletzt wäre, würde der Abstand zwischen Erde und Mond spezielle Charakteristika aufweisen, die bei einer Gültigkeit des Äquivalenzprinzips nicht auftreten würden."
Doch solche Abweichungen gibt es nicht, können die Physiker zeigen, und zwar mit einer Genauigkeit von einem Billionstel. Spätere Versuche sind zwar noch genauer, aber: "Es gibt kein einziges Experiment, welches dem Äquivalenzprinzip widerspricht."
Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschäftigt die Forscher noch heute.© picture alliance / dpa
Das Fundament der Allgemeinen Relativitätstheorie scheint also solide, auch 100 Jahre nach ihrer Veröffentlichung. Dennoch lassen die Experten nicht locker und wollen nun noch präziser nachschauen - und zwar mit einer Satellitenmission, sagt Lämmerzahls Kollege Hanns Selig.
"In irdischer Umgebung hat man immer Störungen, die die Genauigkeit beschränken. Im Weltraum hat man einmalig ruhige Bedingungen. Das macht den Weltraum so attraktiv für Experimente, um das Äquivalenzprinzip zu testen."
Microscope, so heißt der deutsch-französische Satellit, der nächstes Jahr abheben soll. An Bord hat er zwei Zylinder aus unterschiedlichen Metallen. Eine ausgefeilte Anordnung soll messen, ob sie im Schwerefeld der Erde unterschiedlich fallen. Das Ziel: eine Messgenauigkeit hundertmal präziser als bisher. Und was, wenn der Satellit tatsächlich eine Abweichung misst?
Lämmerzahl: "Eine Abweichung vom Äquivalenzprinzip wäre natürlich eine Riesensensation. Eine Riesenüberraschung, weil das unser Weltbild arg ins Schwanken bringen würde."
Zwar wäre Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie damit nicht völlig falsch. Aber ganz so fundamental, wie es die Physiker bislang annehmen, wäre sie dann doch nicht.
Es gibt noch weitere Tests, die Einstein auf den Zahn fühlen - so bei einem Phänomen namens gravitative Rotverschiebung. Sie bezeichnet eine spektakuläre Folge von Einsteins Theorie - nämlich dass eine Uhr in einem starken Schwerefeld langsamer tickt als in einem schwachen. Gravity Probe A, so der Name eines Experiments von 1976.
Lämmerzahl: "Die Rakete wurde in einen Parabelflug gebracht und kam dann wieder zur Erde zurück. Die Rakete stieg um 10.000 Kilometer hoch. Und während der Flugzeit der Rakete hat man dauernd die Wasserstoff-Maser im Satelliten mit denen auf der Erde verglichen."
Ein Wasserstoff-Maser ist eine Art Atomuhr, ein extrem präziser Zeitmesser. Das Resultat des Experiments: im All tickt die Atomuhr tatsächlich um wenige Sekundenbruchteile schneller als auf der Erde. Einstein ist bestätigt. Doch auch hier wollen es die Wissenschaftler um Claus Lämmerzahl genauer wissen - und nutzen eine peinliche Weltraumpanne aus.
Zwei treibende Satelliten im All sind 2014 ein Glücksfall für Physiker
22. August 2014. Vom Weltraumbahnhof Kourou startet eine Sojus-Rakete mit zwei Satelliten an Bord. Sie gehören zum europäischen Satellitennavigationssystem Galileo. Doch die Mission scheitert.
Lämmerzahl: "Die beiden Satelliten wurden nicht auf die vorgesehene Bahn gebracht. Die Ursache war, dass die Oberstufe nicht richtig funktioniert hat. Geplant war eine Kreisbahn in Höhe von 23.000 Kilometern. Sie haben eine elliptische Bahn eingenommen und sind für das übliche Positionierungssystem nicht mehr zu gebrauchen."
Eine Desaster für die Galileo-Macher, ein Glücksfall für die Physiker.
Lämmerzahl: "Das war dann sofort klar, dass das eine tolle Sache wäre, diese Satelliten zu nutzen."
Der Grund: Die Satelliten haben hochgenaue Atomuhren an Bord. Auf ihrer Ellipsenbahn sind sie mal 25.000 Kilometer von der Erde entfernt, mal nur 17.500 Kilometer. Ideale Voraussetzungen für eine Präzisionsmessung.
Lämmerzahl: "Die Idee ist, die Uhren im Satelliten mit Uhren auf der Erde zu vergleichen. Da die Uhren im Satelliten in der Höhe variieren, kann man sehen, wie der Uhrengang von der Höhe über der Erdoberfläche abhängt."
In Erdnähe sollten die Atomuhren langsamer gehen als weiter draußen - so das Kalkül. In drei Jahren hoffen die Physiker auf erste Resultate. Doch warum überhaupt stellen sie Einsteins Meisterwerk immer wieder auf den Prüfstand, fahnden nach kleinsten Abweichungen?
Lämmerzahl: "Die allgemeine Relativitätstheorie ist natürlich eine sehr gute Theorie. Wir wissen aber, dass sie vermutlich nicht die richtige Theorie ist, weil sie nicht mit der Quantenmechanik verträglich ist. Es muss also eine übergeordnete Theorie geben - die sogenannte Quantengravitation. Und alle Ansätze für eine Quantengravitation sagen kleine Verletzungen der allgemeinen Relativitätstheorie voraus. Das heißt man ist auf jeden Fall gezwungen, alle Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie immer genauer nachzuprüfen."
Gesucht: ein Fingerzeig auf besseres, eine umfassenderes Regelwerk - eine Art Supertheorie, die Einstein und die Quantenphysik endlich unter einen Hut bringt.
Einstein: "Ich bin zwar im täglichen Leben ein typischer Einspänner. Aber das Bewusstsein, der unsichtbaren Gemeinschaft derjenigen anzugehören, die nach Wahrheit, Schönheit und Gerechtigkeit streben, hat das Gefühl der Vereinsamung nicht aufkommen lassen."
Existenz von Gravitationswellen noch nicht nachgewiesen
Nahezu alle Aussagen von Einsteins Theorie gelten heute als bewiesen - mit einer Ausnahme: Die Existenz sogenannter Gravitationswellen. Das sind Kräuselungen der Raumzeit, die bei Extremprozessen im Kosmos entstehen sollten, etwa wenn zwei Schwarze Löcher zusammenstoßen oder ein Riesenstern explodiert. Diese Wellen sollten dann lichtschnell durchs All rasen und alles, was ihnen in die Quere kommt, unmerklich zusammenstauchen - so jedenfalls will es die allgemeine Relativitätstheorie.
Karsten Danzmann, Physiker am Albert-Einstein-Institut in Hannover: "Trotzdem hat Einstein den größten Teil seines Lebens nicht daran geglaubt, dass man diese Wellen wirklich eines Tages würde detektieren können."
Einstein war sich sicher: Gravitationswellen wird man nie messen, sie sind schlicht zu winzig. Doch andere wussten es besser.
Danzmann: "Es war erst in der 50er Jahren, dass theoretisch gezeigt wurde, dass Gravitationswellen Energie transportieren und diese Energie auch in einem Detektor deponieren können. Und damit war klar, dass man sie auch würde nachweisen können."
Die ersten Versuche scheiten, die Sensoren sind nicht empfindlich genug. Heute setzen die Forscher auf eine spezielle Lasertechnik, sagt Bernard Schutz vom Data Innovation Institute in Cardiff.
"Laserlicht wird zwischen zwei Spiegeln hin- und hergeworfen. Sollte eine genügend starke Gravitationswelle vorbeikommen, würde sie den Abstand zwischen den Spiegeln kurz strecken oder stauchen. Mit hochpräzisen Lasern sollte sich das eigentlich messen lassen."
Es dauert lange, die Technologie zu entwickeln. 2005 gehen mehrere Riesenantennen auf Empfang - Virgo in Italien und LIGO in den USA, eine Doppelanlage mit Laserarmen, die vier Kilometer lang sind. Jahrelang liegen die Geräte auf der Lauer. Das Resultat: "Bislang wurden noch keine Gravitationswellen gemessen."
Nicht gerade das Wunschergebnis der Physiker, sagt Hartmut Grote vom Albert-Einstein-Institut. Aber: "Die Wahrscheinlichkeit, in dieser frühen Phase was zu messen, war nur im Prozentbereich. Sodass das noch nicht erstaunlich ist, dass man noch keine Gravitationswellen gemessen hat."
Deshalb wagen die Physiker nun einen neuen Anlauf - und haben ihre Anlagen aufgemotzt, etwa mit besseren Spiegeln und Lasern. Das Ziel: Eine zehnmal größere Empfindlichkeit als bei der ersten Generation. Damit steigt die Chance, Gravitationswellen aufschnappen zu können, rapide: Eine zehnfache Messempfindlichkeit bedeutet, dass die Anlagen einen tausendfach größeren Bereich des Weltalls belauschen können. In den USA laufen die getunten LIGO-Detektoren seit September 2014. Und wann erwartet Karsten Danzmann den Durchbruch, die Detektion der ersten Gravitationswelle?
"Vielleicht 2017? Etwas Geduld braucht man schon."
NASA-Satellit "Gravity Probe B": Die Mission hat Vorhersagen von Albert Einsteins Relativitätstheorie mit bislang unerreichter Genauigkeit bestätigt: Die Erde verbiegt demnach die Raumzeit um sie herum© dpa/picture alliance/NASA
Und etwas Glück auch. Denn die Forscher sind darauf angewiesen, dass irgendwo in Reichweite der Detektoren etwas Gewaltiges passiert - dass Schwarze Löcher kollidieren oder eine Supernova explodiert. Doch der Nachweis von Einsteins Wellen soll nur der erste Schritt sein. Denn die Fachleute wollen die Gravitationswellen haarklein analysieren und herausfinden, wie kosmische Katastrophen ablaufen, sagt Luciano Rezzolla, Physiker an der Universität Frankfurt.
"Könnte man zum Beispiel jene Gravitationswellen analysieren, die entstehen, wenn zwei Neutronensterne zusammenstoßen, könnte man herausfinden, wie diese Sternleichen zusammengesetzt sind. Es wäre wie ein Fingerabdruck: Jeder Typ von Neutronenstern würde im Gravitationswellen-Signal einen anderen Abdruck hinterlassen."
Eine weitere Frage: Gibt es im All Schwarze Löcher, die sich umkreisen und schließlich aufeinander stürzen? Für normale Teleskope wären sie völlig unsichtbar, denn Schwarze Löcher strahlen weder Licht ab noch andere elektromagnetische Strahlung, erklärt Jan Steinhoff vom Albert-Einstein-Institut in Potsdam.
"Aber diese zwei Schwarzen Löcher senden Gravitationswellen aus. Wenn man Gravitationswellen misst, hat man eine Art Auge. Man sieht Objekte, die man im sichtbaren Licht gar nicht sehen kann. Systeme aus zwei Schwarzen Löchern wurden noch nicht beobachtet. Eine Sache, die man aus den Gravitationswellen ablesen könnte, wäre, dass es solche Systeme überhaupt gibt und wie viele es gibt."
Eine Frage, die für die Entwicklung der Galaxien wichtig ist. In der Milchstraße etwa dürfte ein riesiges Schwarzes Loch schlummern, das die Geschicke unserer Galaxie maßgeblich lenkt. Gravitationswellen sollen aufklären, wie sich solche Schwerkraftmonster überhaupt bilden konnten. Fachleute wie Karsten Danzmann jedenfalls versprechen sich einiges - und erhoffen sich eine völlig neue Art von Astronomie: "Ich glaube, wir können uns noch gar nicht ausmalen, was wir alles aus Gravitationswellen lernen werden."
Einstein: "Es ist mir genug, diese Geheimnisse staunend zu ahnen und zu versuchen, von der erhabenen Struktur des Seienden in Demut ein mattes Abbild geistig zu erfassen."
Physiker sind nach wie vor fasziniert von der allgemeinen Relativitätstheorie, sie beschreibt die Gravitation nahezu perfekt. Doch nicht nur die Fachwelt profitiert von Einsteins Gleichungen.
Ohne Einsteins Formeln würden unsere Navigationssysteme ungenauer sein
Einstein wirkt sich auch auf unseren Alltag aus: Ohne seine Formeln würden Atomuhren deutlich ungenauer gehen - und damit auch die Navis in unseren Handys und unseren Autos.
Lämmerzahl: "Wir spüren sie täglich im Global Positioning System GPS. Nur mithilfe der allgemeinen Relativitätstheorie funktioniert das GPS so, wie wir das kennen. Wenn man diese Effekte nicht mit berücksichtigen würde, würde man täglich einen Fehler von circa zehn Kilometern haben."
Basis von GPS sind hochgenaue Atomuhren an Bord der Navigationssatelliten. Diese Satelliten umkreisen die Erde in 20.000 Kilometern Höhe - und ticken wegen der allgemeinen Relativität ein klein wenig schneller als die Referenzuhren auf der Erde.
Lämmerzahl: "Die Uhren im Weltraum laufen anders als die Uhren hier auf der Erde. Man muss die gravitative Rotverschiebung der Uhren auf den Satelliten berücksichtigen, und natürlich auch die Bewegung der Uhren auf den Satelliten. Die beiden Effekte müssen berücksichtigt werden, um die Position hier auf der Erde genau bestimmen zu können."
Deshalb fließen Einsteins Gleichungen ein in die GPS-Software. Ohne diese Korrektur wäre GPS schlicht unbrauchbar. Und auch unsere Funkwecker würden deutlich ungenauer gehen.
Funkwecker zeigen die koordinierte Weltzeit an. Sie kommt zustande, indem Hunderte von Atomuhren rund um den Globus genauestens miteinander abgeglichen werden.
Lämmerzahl: "Und wenn ich eine Uhr hier bei der PTB in Braunschweig mit einer Uhr in den USA in den Rocky Mountains vergleiche, muss ich natürlich die Rotverschiebung mit berücksichtigen."
Die Atomuhr bei der PTB, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, steht 80 Meter über Meereshöhe. Die Uhr vom NIST, dem amerikanischen Schwesterinstitut, steht im US-Bundesstaat Colorado am Rande der Rocky Mountains - und damit 1600 Meter höher. Sie tickt deshalb pro Jahr um fünf millionstel Sekunden schneller als die Uhr in Braunschweig - und das muss man bei der Synchronisation der Uhren natürlich korrigieren.
Eine Atomuhr CS2 steht im Zeitlabor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig.© picture alliance / dpa / Julian Stratenschulte
Auch manche Forscherdisziplinen profitieren heute ganz konkret von der allgemeinen Relativitätstheorie - etwa die Geowissenschaftler.
"Das Geoid ist international im Moment leider nur auf 30 bis 50 Zentimeter bekannt."
Der Plan von PTB-Forscherin Tanja Mehlstäubler: Sie will das Schwerefeld der Erde so präzise wie möglich vermessen. Eine entscheidende Bezugsgröße ist das Geoid - eine hypothetische Fläche, auf der überall auf dem Globus dieselbe Schwerkraft herrscht. Nun sollte man meinen, es habe schlicht die Form einer Kugel. Aber:
"Wie wir heute wissen, schaut's eher nach einer Kartoffel aus, mit kleinen Ausbeulungen. Das kommt einfach von unterschiedlichen Masseverteilungen, unterschiedlichen Dichteschwankungen. Jedes Erdbeben, jede plattentektonische Bewegung verändert die Massenverteilung der Erde."
Je genauer das Geoid bekannt ist, umso präziser wissen die Geoforscher, wie stark sich Landmassen mit der Zeit heben und senken und wo im Erdmantel geschmolzene Gesteine fließen - die Triebkraft für Erdbeben und Vulkanausbrüche. Bislang dienen zur Vermessung des Geoids sogenannte Gravimeter. Präzisere Messungen verspricht ein anderes Gerät - die optische Atomuhr, einer Fortentwicklung der bisherigen Atomuhren. Um damit das Geoid zu vermessen, braucht es die allgemeine Relativitätstheorie.
"Je näher ich mich dem Gravitationszentrum nähere, desto langsamer vergeht die Zeit."
Eine optische Atomuhr im Flachland sollte messbar langsamer ticken als eine auf dem Berg. Und das bedeutet: "Wenn wir eine Uhr in Schweden stationieren und die mit der Uhr in Braunschweig vergleichen würden, könnten wir sehen, wie sich die schwedische Landmasse hebt."
Und zwar aufgrund der Gletscherschmelze, verursacht durch den Klimawandel. Soweit sind die Forscher zwar noch nicht. Doch dass die neue Technik im Prinzip funktioniert, haben Pilotversuchen schon gezeigt. Die Vision: Bis auf einen Zentimeter genau wollen die Forscher das Geoid vermessen - rund 50 Mal präziser als heute.
Einstein: "Die elementaren Begriffe sind sämtlich von raum-zeitlichem Charakter. Solche Begriffe allein kommen in den Naturgesetzen vor; in diesem Sinn ist alles naturwissenschaftliche Denken geometrisch."
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie - heute spielt sie sogar in unseren Alltag herein, und Forscher machen sie sich zunutze. Für die meisten Physiker aber bleibt sie vor allem eines - ein Grundpfeiler der modernen Naturwissenschaft.
Selig: "Ich finde faszinierend, dass die allgemeine Relativitätstheorie die Theorie ist, die am besten experimentell bestätigt wurde."
Sauer: "Wir sind immer noch der Meinung, dass die Einstein-Gleichungen das richtige Fundament sind, unser Universum zu beschreiben. Und das ist eine gewaltige Leistung."
Renn: "Was in diesem Samenkorn, das Einstein gelegt hat, alles enthalten war, ist etwas gewesen, was auch heute noch die Grundlage ist für die Erklärung der Expansion des Universums. Dafür steht die Relativitätstheorie. Und das fasziniert mich an ihr."
