Hundert Jahre allgemeine Relativitätstheorie

Heute vor einhundert Jahren, am 25. November 1915, trug Albert Einstein die wesentlichen und vor allem richtigen Feldgleichungen seiner allgemeinen Relativitätstheorie vor der Preußischen Akademie der Wissenschaften vor.  Bereits zehn Jahre vorher hatte er die spezielle Relativitätstheorie unter dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ veröffentlicht. Die Grundidee der speziellen Relativitätstheorie war die Erweiterung des Relativitätsprinzips von Galilei Galileo von der Mechanik auf alle physikalischen Kräfte, insbesondere den Elektromagnetismus. Demnach haben die Naturgesetze in jedem Inertialsystem dieselbe Form, weshalb in einem geschlossenen Raum eine unbeschleunigte Bewegung desselben nicht festgestellt werden kann. Die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit schien dem zu widersprechen, doch alle Versuche, einen Äther für Licht und andere elektromagnetische Wellen nachzuweisen, waren gescheitert. Rein formal beschrieben bereits die Lorentztransformationen die sich ergebenden Längenverkürzungen und Zeitdehnungen bei sehr hohen Geschwindigkeiten, doch Albert Einstein interpretierte Raum und Zeit neu als Raumzeit mit stets konstanter Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der allgemeineren Gültigkeit des Relativitätsprinzips.

Mit der allgemeinen Relativitätstheorie verallgemeinerte Albert Einstein das weiter, indem er auch die Gravitation einbezogen hat und das Relativitätsprinzip selbst in beschleunigten Systemen anwandte. Träge und schwere Masse sind gleich, wie auch schon Galileo beobachtet hatte, weil die Gravitation gar nicht wie bei Isaac Newton eine Anziehungskraft im Sinne einer Fernwirkung ist, sondern durch Krümmung der nichteuklidischen Raumzeit die Körper im Schwerefeld tatsächlich fallen. Starke Gravitation beeinflusst auch das Licht und verzögert die Zeit. Im Extremfall, wenn selbst masselose Photonen einem Schwerefeld nicht mehr entkommen können, ergibt sich ein Schwarzes Loch. Die spezielle Relativitätstheorie ist ein Spezialfall der allgemeinen ohne Gravitation bzw. in hinreichend kleinen Gebieten der Raumzeit, während die newtonsche Mechanik bei hinreichend kleinen Massen und Geschwindigkeiten weiterhin anwendbar ist.

Alle empirischen Beobachtungen und Experimente stimmen bislang mit der allgemeinen Relativitätstheorie überein. Bereits 1915 konnte Albert Einstein mit ihr kleine Abweichungen von der Merkurbahn erklären, 1919 wurden erstmals bei einer Sonnenfinsternis Abweichungen von Sternenlicht durch die Sonnenmasse nachgewiesen. Trotzdem erhielt Albert Einstein keinen Nobelpreis für die Relativitätstheorie, sondern 1922 rückwirkend für das Jahr 1921 und seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts. Außerdem steht die allgemeine Relativitätstheorie im Widerspruch zur Quantenmechanik, die ebenfalls sehr gut empirisch belegt ist, auch in den von Albert Einstein abgelehnten Teilen wie der Nichtlokalität. So sind die beiden wichtigsten physikalischen Theorien eigentlich unvereinbar, wobei es übergreifende Theorien wie die Stringtheorie gibt, die jedoch bislang einer empirischen Überprüfung nicht wirklich zugänglich ist.

3 Gedanken zu „Hundert Jahre allgemeine Relativitätstheorie

  1. Das Problem liegt meines Erachtens nicht so sehr in der Physik als in der Erkenntnistheorie.
    Sofern man der Evolutionstheorie folgt, ist das menschliche Bewusstsein evolutiv aus einem mesokosmischen Zustand entstanden; wir sind also evolviert, um besonders geschickt Wildschweine und ähnliches einzufangen und Bären und Säbeltigern zu entkommen.
    Auf Grund dieses mesokosmischen Bewusstseins haben wir die Alltagswahrnehmung von z.B. Welle und Teilchen: Wenn wir etwa einen Stein in einen Teich werfen, um ein mögliches Krokodil hervor zu locken, sehen wir die Ausbreitung der Energie in Wellenform.
    Dieses mesokosmische Bewusstsein übertragen wir nun unbewusst sowohl auf den Makro- als auch den Mikrokosmos, wir gehen also von Vorstellungen von Teilchen und Wellen aus.
    Besonders in der Quantenphysik bedeutet dies nun im Mikrobereich erhebliche Probleme.
    Einsteins Kind war ja letzten Endes auch die Quantenphysik, wobei sie ursprünglich von Plank entdeckt wurde, der jedoch sein Kind auch nicht liebte. Das Problem war nicht so sehr die Nichtlokalität, sondern der scheinbare Verlust der Kausalität zugunsten von statistischen Aussagen über die Natur des Mikrokosmos. „Der liebe Gott würfelt nicht.“

    Andererseits hat Einstein sich ein Leben lang sehr gewundert, dass der menschliche Verstand überhaupt fähig ist, physikalische Realitäten zu erfassen und zu bearbeiten und vor allen Dinge Verläufe zu prognostizieren; es ist ja eine Alltagserfahrung, dass wir im Rahmen der Technologie Prozesse steuern und vorhersagen können.

    Es muss also eine Brücke zwischen dem menschlichen Geist und der äußeren Realität geben, die keineswegs selbstverständlich ist. Die neueren physikalischen Methoden und Entdeckungen sind auch nicht so direkt wie die Teilchenbeobachtungen in einer Wilsonschen Kammer. Die Entdeckung des Higgs-Bosons beruht zum Beispiel lediglich auf wahrscheinlichkeitstheoretischen Deutungen und Zerfallsdiagrammen; das Higgs-Boson ist mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 10 hoch – 16 nachgewiesen.
    Den Theoretikern unter uns wäre eine Schwelle von 1 zu 10 hoch -18 lieber, dies ist immerhin 100-mal sicherer.
    Andererseits war man der Meinung, dass Herr Prof. Higgs lange genug auf seinen Nobelpreis gewartet hat, Ihnen wünsche ich persönlich, dass Ihr Nobelpreis etwas früher kommt.
    Das Wesentliche am Higgs-Boson ist, dass man z.B. durch eine Anti-Higgs-Feld eine Trennung zwischen schwerer und träger Masse herbeiführen könnte, was entsprechende Beschleunigungen und Geschwindigkeiten bei Raumschiffen möglich machen würde – ein Endziel über das kaum jemand redet.

    Was die Stringtheorie betrifft (Hauptprotagonistin Prof. Lisa Randall in Harvard), so ist diese gegenwärtig nur ein mathematisches Konstrukt, das versucht eine einheitliche Quantengravitationstheorie herzustellen. Sie ist weder im Augenblick noch in naher Zukunft empirisch überprüfbar!
    Also werden hier zunächst erkenntnistheoretische Fortschritte notwendig sein, bevor man im Physikalischen weiterkommt. Noch vor seinem Tod meinte Einstein, die wahre Natur von Raum und Zeit sei immer noch verborgen.

    • Es ist nicht unplausibel, dass nicht nur die menschlichen Sinnesorgane (die „Brücke zwischen dem menschlichen Geist und der äußeren Realität“), sondern auch menschliche Gehirne gut an die natürlich (und soziale) Umwelt angepasst sind. Dazu gehören vor allem mittelgroße Objekte, aber weder der Kosmos insgesamt noch einzelne Quantenobjekte. Das schließt nicht aus, deren beobachtbare Regelmäßigkeiten beschreiben und mathematisch verallgemeinern zu können. Wenn es solche Regelmäßigkeiten gar nicht gäbe, gäbe es auch keine Menschen. Trotzdem können diese Objekte und deren Verhalten sehr fremdartig sein und der menschlichen Intuition widersprechen (was übrigens auch in der Wirtschaft vorkommt). Das könnte auch erkären, warum der wissenschaftliche Fortschritt da an Grenzen stößt. Schon die allgemeine Relativitätstheorie kann man sich kaum noch vorstellen, sondern entweder stumpf rechnen oder mit nicht perfekt passenden Analogien zu beschreiben versuchen.

      Der probabilistische Charakter der Quantenphysik hat Albert Einstein tatsächlich noch mehr gestört als die Nichtlokalität, die übrigens trotzdem keine überlichtschnelle Signalübertragung erlaubt, welche die Relativitätstheorie falsifizieren würde. Persönlich finde ich objektive Wahrscheinlichkeiten aber gar nicht so unplausibel. In einem rein deterministischen Universum würde z. B. auch die angesprochene Evolutionstheorie nicht wirklich funktionieren. Vor allem ergibt sich hier kein Widerspruch zur Relativitätstheorie, zumal die Gleichungen der Quantenphysik ebenso deterministisch sind wie die der Relativitätstheorie, nur die Realisationen von Wahrscheinlichkeitswellen nicht (mit dem Problem, wann genau es zu solchen Realisationen kommt).

      Schließlich sind die Wahrscheinlichkeitsaussagen zur Existenz des Higgs-Bosons etc. von ganz anderer Art. Sie machen nur innerhalb des bestehenden Theorierahmens Sinn, was vielleicht sogar für die Existenz solcher Teilchen gilt, die weder mit dem bloßen Auge noch den Messgeräten direkt beobachtbar sind, sondern aus statistischen Verteilungen von ganz anderen Messungen indirekt abgeleitet werden. Interessant ist doch auch, dass es für dieselben Beobachtungen durchaus sehr unterschiedliche theoretische Erklärungen geben kann.

  2. Pingback: Gravitationswellen 100 Jahre nach Einsteins Vorhersage gemessen | Alexander Dilger

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