Vorhang auf für Raum und Zeit#
Von Navigationssystemen bis zu Gravitationswellen: Was Einsteins Relativitätstheorie für die Zukunft bedeuten könnte.#
Von der Wiener Zeitung (Sa./So., 11./12. Oktober 2015) freundlicherweise zur Verfügung gestellt.
Von
Eva Stanzl
© Uni Tübingen/MPI Biol. Kybernetik
Wien. "In - 300 - Meter - bitte - rechts - abbiegen." Das Navi würde ohne Albert Einsteins Relativitätstheorie in die Irre führen. Schon nach einem Tag würde es sich um bis zu zehn Kilometer verpeilen. "Dann würde man zum Beispiel in Wien-Simmering landen statt am Stephansplatz", sagt der Wiener Physiker Herbert Pietschmann. Die Menschheit wäre von der Personen-Ortung befreit, dafür wären Landkarten-Apps für die Fische. Und schlimmer: In Kriegssituationen würden Bomben womöglich Wohnblocks statt Funkzentralen dem Erdboden gleichmachen.
Um ein Objekt exakt verorten zu können, muss das Global Positioning System (GPS) messen, wie lange die Signale von mindestens drei Satelliten zur Erde brauchen. "Je näher eine Uhr aber zum Gravitationsschwerpunkt der Erde ist, desto langsamer geht sie", erklärt Pietschmann. "Das liegt daran, dass in Erdnähe die Raumzeit anders gekrümmt ist als im All."
Von der Kosmologie bis zu den kleinsten Teilchen: Die Relativitätstheorie gehört heute zu den tragenden Säulen der Physik. Und sie könnte ein neues Zeitalter der Astronomie ermöglichen - jenes der Gravitationswellenforschung.
Hauptrolle auf der Weltbühne#
"Vieles, was wir über unsere Welt wissen, würde ohne Einsteins Theorie keinen Sinn ergeben", erklärt Florian Aigner, Physiker und Sprecher der Technischen Universität Wien: "Normalerweise halten wir Raum und Zeit für etwas Vorgegebenes - für die Bühne, auf der die Welt ihr Schauspiel ablaufen lässt. Seit Einsteins Berechnungen wissen wir aber, dass Raum und Zeit selbst eine Hauptrolle spielen."
Albert Einstein war nur 26 Jahre alt, als er 1905 zunächst mit seiner speziellen Relativitätstheorie die Physik aus den Angeln hob. Ihr zufolge haben physikalische Größen, wie Länge oder Zeitdauer, keine absoluten Werte, wie etwa Maßbänder, Uhren oder der Tagesablauf suggerieren würden.
Wenn zwei Menschen, die nebeneinander stehen, beide eine Länge oder eine Zeitdauer messen, kommen sie zu denselben Ergebnissen. Wenn sich aber ein dritter Mensch, der die Szene beobachtet, sehr schnell bewegt, kommt er zu anderen Messwerten, die nach Einstein genauso korrekt sind wie jene des stehenden Paares. Länge und Zeitdauer hängen also davon ab, ob ein Beobachter in Bewegung ist, und: Bewegte Maßstäbe verkürzen sich mit steigender Geschwindigkeit.
Das Licht ist eine Naturkonstante. Es reist immer mit 1,08 Milliarden Stundenkilometern durch Vakuum. Kein Mensch war je so schnell unterwegs. Eine Vorstellung davon, wie das wohl wäre, gibt die Ausstellung "Gravitationswellen" in der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien. In einer Simulation haben die Kuratoren der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) die Lichtgeschwindigkeit auf ein Fahrrad-Tempo von 30 Stundenkilometern herabgesetzt. Je kräftiger man in die Pedale steigt, desto stärker verwandelt sich der Raum. Der Weg wird länger, die Balken biegen sich, Gebäude-Rückseiten werden sichtbar. Was wir im Ruhezustand sehen, ist nicht die ganze Realität.
Die Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie gelten allerdings nur für Beobachter mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Beschleunigung zu erklären, ist komplizierter. Einstein erkannte, dass ihre korrekte Beschreibung eng mit Gravitation verknüpft ist. Mit der Allgemeinen Relativitätstheorie präsentierte er am 25. November 1915 vor der Preußischen Akademie der Wissenschaften die bisher genaueste Theorie der Schwerkraft.
Die Erde drückt uns durch ihre Gravitationskraft nach unten. Genauso würde man aber auch ohne Erdanziehung, weit draußen im Weltraum, auf den Boden eines Raumschiffs gedrückt werden, das nach oben beschleunigt. Daher, folgerte Einstein, muss beides physikalisch gleich beschrieben werden. Das gelang ihm aber nur auf mathematisch komplizierte Weise - indem er die Geometrie von Raum und Zeit untersuchte.
"Die Geometrie der vierten Dimension ist anders als die dreidimensionale Welt", sagt Pietschmann. "Unser menschlicher Verstand ist für so etwas nicht gebaut. Wir können uns nur eine gekrümmte Fläche vorstellen - etwa indem wir einen Kreis mit einer Kugel vergleichen - nicht aber gekrümmten Raum." Große Massen, wie die Sonne oder die Erde, können durch ihre Schwerkraft Raum und Zeit verbiegen. Als Veranschaulichung dient ein gespanntes Gummituch, auf dem Bleikugeln liegen. Das Gewicht der Kugeln verzerrt das Tuch, so ähnlich wie Sonne oder Erde Raum und Zeit verzerren. Lässt man nun eine kleinere Kugel über das Gummituch rollen, wird ihre Bahn von der Verzerrung des Tuchs beeinflusst. Genau so wird die Bahn der Erde durch die Raumkrümmung der Sonne verändert, sodass sie sich nicht geradlinig durchs Weltall, sondern auf einer elliptischen Bahn um die Sonne bewegt. "In gewissem Sinn ist die Gravitation keine Kraft, sondern bloß die Geometrie der Raumzeit", so Aigner.
Der Blick in eine Supernova#
In seinem Hauptwerk zur Dynamik der Objekte im Weltraum sagt Einstein auch vorher, dass jede beschleunigte Bewegung von Materie oder Energie Gravitationswellen erzeugt. Schall breitet sich hörbar durch die Luft aus. Elektromagnetische Wellen nehmen wir zwar nicht wahr, aber sie sind leicht zu messen. Die Gravitationswellen, die laut Einstein bei einer Supernova-Explosion entstehen, konnten jedoch bisher nicht direkt gemessen werden.
DFG-Forscher arbeiten nun an einem neuen, weltraumgestützten Interferometer. Das Gerät namens "Lisa" soll eine Million Mal größer sein als erdgebundene Messgeräte und im All arbeiten. Wenn es gelingt, die Gravitationswellen zu messen, könnte die Menschheit in Supernovae hineinschauen und ein Echo des Urknalls hören, somit die Geburt des Universums besser verstehen. Der deutsche Wissenschaftshistoriker Jürgen Renn betont: "Erst jetzt, nach dem ersten Jahrhundert, ist die Relativitätstheorie voll in Schwung."