Physik: Magier des Geistes - Wie Albert Einstein den Kosmos auf den Kopf stellte
Vor hundert Jahren stand ein junger Mann mit dunklem Haar und Schnauzbart am Bärengraben in Bern und sah bei der Fütterung der Bären zu. Die meisten Tiere im Gehege, das bis heute eine Berner Sehenswürdigkeit ist, hielten die Nase stets dicht am Boden und schnüffelten nach Essbarem. Doch einige stellten sich auf die Hinterbeine und schienen besondere Leckerbissen auszuspähen. Rund fünfzig Jahre später erklärte der Besucher des Bärengrabens einem jungen Kollegen, dem Wiener Physiker Walter Thirring, was er aus der Szene gelernt hatte: Nur wenn man das Ganze von einem höheren Gesichtspunkt aus betrachtet, kann man die wirklich wesentlichen Dinge finden.
Der Mann, der diese Analogie formulierte, hieß Albert Einstein, und im Jahr 1905 vollbrachte er mentale Leistungen, die das Bild von der Beschaffenheit der Welt für immer verändern würden. Einstein trug in seinem Annus mirabilis, seinem Wunderjahr, zur Begründung der Quantenmechanik bei, schuf mit der Speziellen Relativitätstheorie eine völlig neue Vorstellung von Zeit und Raum und schrieb die berühmteste Formel der Weltgeschichte nieder: E = mc2.
Ein Jahrzehnt später präsentierte er mit der Allgemeinen Relativitätstheorie die Vollendung seines Gedankengebäudes. Dieses Werk, dem bis heute die Aura des Mystischen, des Magischen anhaftet, machte Einstein endgültig unsterblich. Immerhin enthält es eine Art Bauplan des gesamten Kosmos samt daraus ableitbaren Phänomenen wie schwarzen Löchern, Singularitäten, Gravitationswellen und Zeitreisen.
Heuer würdigen physikalische Institutionen in aller Welt das Genie Albert Einstein und seine vor hundert Jahren publizierte Spezielle Relativitätstheorie. Weil sich zudem Einsteins Todestag zum fünfzigsten Mal jährt er starb am 18. April 1955 , wurde 2005 zum Einstein-Jahr und zum Jahr der Physik ausgerufen. Trotz der dabei angebotenen Informationsfülle wird es schwer fallen, den Forscher, Weltbürger, Pazifisten, Juden, Frauenliebling, den Zyniker Albert Einstein adäquat darzustellen.
Einzelgänger und Vagabund
Wer war dieser Mann mit dem weichen, schwäbischen Dialekt, der sich als Einzelgänger und Einspänner, als Vagabund und Eigenbrötler bezeichnete? Der Mann, der Misstrauen gegen jede Art von Autorität hegte; der Uniformen hasste und jedem im Gleichschritt Marschierenden nachsagte, man habe ihm das Großhirn amputiert; der sich große Teile der Physik ebenso selbst beibrachte wie das Geigenspiel, auch wenn eingewandt wurde, er habe am Instrument einen Strich wie ein Holzfäller; der Zahnbürsten für nachgerade gesundheitsgefährlich hielt, Hygiene gering schätzte und sich unverbesserlicher Mistfink nannte; der als Außenseiter die Physik revolutionierte, zur ersten Kultfigur der Wissenschaft wurde und schließlich zum tragischen Verweigerer physikalischen Fortschritts.
In jedem Fall war Albert Einstein ein Mann voller Widersprüche: Er verabscheute den Krieg und duldete dennoch, dass von ihm entwickelte Patente wie der Kugelkompass militärischen Zwecken dienten. Er äußerte Hochachtung vor anderen Schöpfern großer Gedanken und konnte die Menschen zugleich grob beleidigen. Er habe ein böses Maul, meinte seine erste Frau Mileva Mari´c. All die Widersprüchlichkeiten werden auch von Historikern immer mehr berücksichtigt. In den letzten 25 Jahren ist man sehr vom Helden Einstein abgewichen, sagt Dieter Hoffmann vom Berliner Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte.
Auch stoßen Forscher immer wieder auf Dokumente, die Einblicke in Einsteins Privatleben gewähren zuletzt im Frühjahr des Vorjahres, als das 62-seitige Tagebuch von Johanna Fantova gefunden wurde, Einsteins letzter Geliebter. Freilich bestätigt das Dokument im Wesentlichen schon bisher bekannte Fakten. Es sei nicht besonders erhellend, so Hoffmann. Aber es ist eben das jüngste Konvolut neuerer Erkenntnisse.
Unbestritten ist indes die Tragweite von Einsteins wissenschaftlichem Vermächtnis. Er war mit Sicherheit der größte Physiker des 20. Jahrhunderts, und in der gesamten Menschheitsgeschichte macht ihm nur noch Newton den Rang streitig, sagt Walter Thirring, jener österreichische Physiker, dem Einstein einst seine Bären-Beobachtung anvertraut hatte (siehe Interview Seite 101).
Die Allgemeine Relativitätstheorie strahlt bis heute herüber und ist in ihren Konsequenzen noch immer nicht vollständig verstanden, beurteilt Peter Christian Aichelburg, Professor für Theoretische Physik an der Universität Wien, die unglaublich weit reichende Tragkraft von Einsteins Arbeiten. Die Relativitätstheorie sei zentral für alle Beobachtungen des Kosmos, sagt Wolfgang Kummer, Professor am Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Wien.
Doch was ist das Unvergängliche daran? Sind es die praktischen Anwendungen wie das GPS-System oder der Laser, die es ohne dieses theoretische Fundament nicht gäbe (siehe Kasten Einstein im Alltag, Seite 103)? Oder ist es der pure Erkenntnisgewinn, die Erfüllung einer tiefen Sehnsucht, der Natur ein paar ihrer Geheimnisse abzuringen, das Bedürfnis, dem Alten hinter die Schliche zu kommen, wie Einstein zu Thirring sagte?
Und wie gelang Einstein sein Meisterstück? Worauf beruht der singuläre Kreativitätsausbruch des Jahres 1905, wie es der Einstein-Biograf Albrecht Fölsing nennt? Wie brachte ein völlig unbekannter Beamter des Berner Patentamts, isoliert vom Wissenschaftsbetrieb und noch ohne Doktorwürde, dieses Werk zustande? Dies zudem bar der Möglichkeit, seine Theorie im Experiment zu überprüfen er war auf Papier, Bleistift und das Vertrauen in die Kraft seiner Gedanken angewiesen.
Und dennoch: Einstein wurde nicht etwa über Nacht von einem genialen Einfall heimgesucht. In Wirklichkeit war er gewissermaßen der richtige Mann zur rechten Zeit.
Der hochbegabte Bruder Langweil
Albert Einstein wurde am 14. März 1879 im deutschen Ulm geboren. Die Eltern Hermann und Pauline, nicht praktizierende Juden, übersiedelten ein Jahr später nach München, wo der Vater Teilhaber von Jakob Einstein & Cie wurde, der Elektrotechnikfirma seines Bruders.
Albert hatte Interesse an Puzzles und Bauklötzen, nicht jedoch an Straßenspielen und Raufereien. Andere Kinder nannten ihn Bruder Langweil. Das erste Schuljahr 1886 begann er gleich in der zweiten Klasse. Er bekam glänzende Noten, er liebte Dampfmaschinen und hasste Sportunterricht. Er war verträumt, er war jähzornig, er war mathematisch hochbegabt und wurde von Onkel Jakob in Algebra unterrichtet. Das Sprechen dagegen lernte er langsam, aber sorgfältig. Er ging den Dingen auf den Grund: den Worten, den Sätzen, den Aussagen über Gott und die Welt und die Natur.
Mit zwölf arbeitete er ein Lehrbuch der Geometrie selbstständig durch, als 13-Jähriger las er Immanuel Kant. Er entdeckte seine Liebe zu naturwissenschaftlichen Büchern und seine Skepsis gegenüber der Religionslehre, weil vieles in der Bibel nicht wahr sein konnte. Er war getrieben vom Sichwundern und von fanatischer Freigeisterei. Auch als Gymnasiast hatte er stets gute Noten, lehnte aber die Kasernenatmosphäre der Schule ab und fühlte sich vom Geist der Anstalt rau angeweht. Er brach mit 15 das Gymnasium ab und reiste seinen Eltern nach, die mittlerweile nach Mailand gezogen waren.
Dort bereitete sich Einstein autodidaktisch auf eine Aufnahmsprüfung am Zürcher Eidgenössischen Polytechnikum vor. In dieser Zeit, als 16-Jähriger, fragte er sich, wie es wohl wäre, wenn man einem Lichtstrahl nachliefe oder auf ihm ritte. Die Dinge, über die er bereits in diesem Alter nachgrübelte, so Biograf Fölsing, haben auch die größten Forscher nicht einmal als Problem gesehen. Und Einstein veröffentlichte seinen ersten Fachartikel: Über die Untersuchung des Aetherzustandes im Magnetischen Felde. Das Thema sollte zehn Jahre später zu einem Ausgangspunkt der Speziellen Relativitätstheorie werden.
Einstein verpatzte die Aufnahmsprüfung, fiel durch und schrieb sich in der Kantonsschule Aarau ein, um die Matura nachzuholen. Im September 1896 bestand er die Reifeprüfung als bester von neun Kandidaten und hatte damit das Recht erworben, auch ohne Prüfung das Polytechnikum zu besuchen. Am Poly verhielt sich der Erfolg des Studenten direkt proportional zu seiner Interessenlage: Gefiel ihm ein Vortrag, war er eifrig bei der Sache. Fand er ein Thema langweilig oder in dogmatischer Starrheit präsentiert, verbarg er sein Desinteresse kaum. Weil das oft der Fall war, schwänzte er häufig, was ihm einen Verweis wegen Unfleiß eintrug. Er saß derweil zu Hause und studierte die Meister der theoretischen Physik mit heiligem Eifer.
Er las Ernst Mach und Heinrich Hertz, David Hume und Ludwig Boltzmann. Er diskutierte mit Freunden nächtelang über Physik, stets eingehüllt in dichten Tabaksqualm. 1900 schloss Einstein sein Studium ab und war arbeitslos: Seine Hoffnung auf eine Assistentenstelle am Poly erfüllte sich nicht. Doch er hatte längst ein ausgeprägtes Selbstbewusstsein entwickelt und versandte Stellengesuche nebst beigefügten Fachartikeln in alle Welt stets ohne Erfolg. An sich selbst zweifelte er nie: Stattdessen schimpfte er über die arrivierten Gelehrten, die jeden jungen intelligenten Kopf instinktiv als Gefahr für ihre morsche Würde betrachten würden.
Schließlich bekam er über die Intervention eines Freundes eine Stelle am Eidgenössischen Amt für geistiges Eigentum in Bern. Inzwischen im Besitz des Schweizer Bürgerrechts und dispensiert vom Militärdienst wegen Krampfadern, Plattfüßen, Fußschweiß, trat er am 23. Juni 1902 im Patentamt seinen Job als Technischer Experte III. Klasse an, Jahresgehalt 3500 Franken. In diesem weltlichen Kloster sollte Einstein sieben Jahre als Patentierknecht arbeiten, acht Stunden täglich, sechs Tage die Woche. Er gab nebenbei Privatstunden in Mathematik, konzentrierte sich nachts auf seine Physik. Gerade diese Situation als wissenschaftlicher Außenseiter habe beim Ringen mit den schwierigsten Problemen der Physik den Blick fürs Unkonventionelle geschärft, glaubt Fölsing.
Suche nach einem neuen Weltbild
Die Probleme selbst waren evident, und auch deren Lösung lag in der Luft. Doch es bedurfte eines genialen, frischen Kopfes, der sie zu pflücken imstande war. Es bedurfte jenes Mannes in Bern, der es einigen Bären im nahen Gehege gleichtat und die Welt von einer höheren Warte aus betrachtete. Einstein hat Dinge verwendet, die allen zugänglich waren, sagt Physiker Wolfgang Kummer, aber er hat sie in einen völlig neuen Zusammenhang gestellt. Er habe die Sachen am Schopf gepackt und das Wesentliche rausdestilliert, sagt Physiker Peter Aichelburg. Er hatte Intuition und Instinkt und wusste, wann er auf dem richtigen Weg war.
Damals bestimmten zwei Gedankengebäude die Physik: zum einen die Mechanik Isaac Newtons, welche die in der Natur herrschenden Kräfte definierte und forderte, dass in allen ruhenden oder gleichförmig bewegten Systemen solange keine Beschleunigung ausgeübt wird dieselben Gesetzmäßigkeiten gelten. Das Prinzip der Relativität war bei Newton und schon zuvor bei Galileo zentrales Thema und beschrieb die physikalischen Gesetze in Bezugssystemen, die sich relativ zueinander gleichförmig bewegen.
Wenn auf einer Autobahn in einer Fahrtrichtung zwei Lastwagen mit jeweils 50 Stundenkilometern fahren und sich auf der Gegenfahrbahn ein Auto mit 100 Stundenkilometern bewegt, ergeben sich solche Bezugssysteme: Ein stationäres Radargerät würde die genannten Geschwindigkeiten messen. Die beiden parallelen Lastwagen fahren gleich schnell in dieselbe Richtung relativ zueinander bewegen sie sich gar nicht. Im Gegenverkehr brausen die LKW und der PKW, ebenfalls vom Standpunkt der Chauffeure betrachtet, jedoch mit 150 Sachen aneinander vorbei. Laut klassischer Theorie müssen die Geschwindigkeiten also addiert oder subtrahiert werden wobei alle Systeme physikalisch gleichberechtigt sind und keines als das richtige ausgezeichnet werden kann.
Zudem postulierte Newton absoluten, invarianten Raum und eine ebensolche Zeit. Demnach gibt es absolute, wahre und mathematische Zeit, und jeder Augenblick wäre im ganzen Universum stets derselbe. Im Alltag erscheint dies selbstverständlich.
Das zweite Fundament der Physik war der Elektromagnetismus von James Clerk Maxwell und die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden elektromagnetischen Wellen. Man stellte sich diese Wellen ähnlich vor wie jene, die sich auf einer Wasseroberfläche fortpflanzen, und nahm analog dazu ein Trägermedium namens Äther an, das den gesamten Raum erfüllt. Die Idee eines alles durchströmenden Äther spießte sich jedoch mit dem Relativitätsprinzip, weil damit ein System ausgezeichnet und gewissermaßen bevorzugt wäre. Die geheimnisvolle Substanz existierte allerdings auch nur in den Köpfen der Physiker.
Um den Äther nachzuweisen, verfiel man auf eine Idee, die sich am Beispiel eines Modellflugzeugs illustrieren lässt. Je nachdem ob das Flugzeug mit oder gegen den Wind oder senkrecht zu ihm fliegt, benötigt es für diese Strecken unterschiedlich viel Zeit. Genau dieses Experiment wollten die Forscher in Bezug auf die Erdbewegung durch den Ätherwind durchführen. Statt eines Modellflugzeuges nutzten sie Lichtstrahlen, die in einer Messapparatur senkrecht zueinander verliefen (siehe Grafik Seite 98). Doch egal wie oft der Versuch wiederholt wurde das Licht brauchte immer gleich lang.
Die Experten suchten nach Erklärungen. Der Niederländer Hendrik Antoon Lorentz schlug vor, dass die Messapparatur in Bewegungsrichtung der Erde irgendwie verkürzt werden könnte und das Licht deshalb trotz Gegenwindes nicht länger brauchte als in senkrechte Richtung. Dies warf die nächste Frage auf: Wie konnten zwei gleich schnelle Lichtstrahlen unterschiedliche Wege in derselben Zeit zurücklegen? Lorentz wusste sich nicht anders zu helfen, als den beiden Lichtstrahlen jeweils eine lokale Zeit zuzuordnen ahnte jedoch nicht, wie nahe er der Wahrheit damit kam.
Der entscheidende Schritt
Die Wahrheit fand erst Albert Einstein. Er, der stets nach dem physikalischen Sinn fragte und von der Auffindung eines allgemeinen formalen Prinzips träumte, tat Unerhörtes: Er schaffte den Äther einfach ab und dehnte das Relativitätsprinzip damit auf die gesamte Physik aus. Dass es den Äther nicht geben könnte, war damals außerhalb der Denkmöglichkeiten, sagt Aichelburg. Einstein ging diesen einen Schritt weiter, aber der Preis war hoch.
In seinem Wunderjahr 1905 war Einstein 26 Jahre alt, seit zwei Jahren verheiratet und Vater zweier Kinder. Im März schrieb er Über einen die Erzeugung und Umwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Darin vertrat er die These, Licht bestehe aus Energiebündeln, den Quanten. Im April verfasste er mit Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen seine Dissertation. Im Mai beendete er eine Arbeit über die so genannte Brownsche Bewegung. Im Juni folgte der Artikel Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Diese im September 1905 publizierte Arbeit sollte bald nur noch Spezielle Relativitätstheorie heißen. Im selben Jahr veröffentlichte er einen Nachtrag dazu mit bloß drei Seiten: Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig? Darin formulierte Einstein die Gleichung E = mc2 (siehe Kasten rechts Einstein im Alltag).
Einstein begann seinen Text zur Relativitätstheorie mit den damals virulenten Problemen: mit Asymmetrien in Max-wells Elektromagnetismus und misslungenen Versuchen, eine Bewegung der Erde relativ zum Lichtmedium zu konstatieren. Dann befasste er sich mit einer scheinbar banalen Frage: Was bedeutet Gleichzeitigkeit? Der Gedankensprung mag seltsam erscheinen, so Aichelburg, doch man müsse dies aus der damaligen Epoche heraus sehen. Zeit war ein großes Thema, eine Art Modeerscheinung. So gab es aufwändige Versuche zur Uhrensynchronisation in ganzen Städten, auch in Bern.
Jene Erkenntnis, die beim Ätherexperiment für Verwirrung gesorgt hatte, erhob Einstein zur Naturkonstanten: Licht ist immer gleich schnell. Anders als bei den Fahrzeugen auf der Autobahn dürfen dabei Geschwindigkeiten nicht addiert oder subtrahiert werden. Zugleich postulierte Einstein, dass sich nichts schneller ausbreiten kann und daher auch keine Information schneller übermittelt werden kann als mit Lichtgeschwindigkeit. Erst wenn das Licht ein bestimmtes Ereignis übertragen hat, erfahren wir davon. Weil das Licht von der Sonne bis zur Erde acht Minuten braucht, sehen wir die Sonne stets so, wie sie acht Minuten zuvor ausgesehen hat. Wenn wir von gleichzeitig sprechen, reden wir demnach stets von der Wahrnehmung bereits vergangener Ereignisse.
Kompliziert wird die Sachlage, wenn man den Faktor Bewegung ins Spiel bringt. Folgende Annahme: Jemand beobachtet auf der Erde, wie ein Raumschiff startet und davonfliegt. Im Raumschiff befindet sich eine besondere Uhr: Zwischen zwei einen Meter voneinander entfernten Spiegeln wird Licht hin- und herreflektiert, also dieser Weg des Lichts als Zeitmesser genutzt. Aus Sicht des Piloten pendelt das Licht auf genau diesem Meter.
Anders für den Beobachter auf der Erde: Aufgrund der Bewegung des Raumschiffs erscheint für ihn der Verlauf des Lichts schräg. Weil diese schräge Strecke jedoch länger ist als die im Raumschiff gemessene, braucht das Licht mit seiner stets konstanten Geschwindigkeit auf diesem Weg mehr Zeit. Aus der Perspektive des Beobachters auf der Erde und zwar nur aus seiner vergeht die Zeit deshalb langsamer als aus jener des Piloten im Raumschiff. Einstein nannte diesen Effekt Zeitdilatation. Für den Astronauten gilt dagegen die im Raumschiff gemessene Zeit.
Doch welche der beiden Zeiten ist nun die richtige? Antwort: beide. Der Astronaut und sein Kollege auf der Erde befinden sich in relativ zueinander bewegten Systemen, und diese sind physikalisch völlig gleichberechtigt. In dieser Hinsicht hat Einstein das Relativitätsprinzip auf die Spitze getrieben.
Zeit ist damit relativ und zudem abhängig von der Geschwindigkeit. Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto langsamer läuft die Zeit. Bei Lichtgeschwindigkeit stünde die Zeit still ein freilich unerreichbares Tempo. Ließe sich indes ein Raumschiff konstruieren, das mit 98 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fliegt, würde es für die Reise zu einem 25 Lichtjahre entfernten Stern fünf Jahre benötigen und weitere fünf für den Rückflug. Für einen Kollegen des Astronauten auf der Erde wären inzwischen jedoch nicht zehn, sondern fünfzig Jahre vergangen. Es handelt sich dabei nicht etwa um ein Problem der Uhren: Der Mann auf der Erde ist tatsächlich älter.
Allerdings: Wenn der Astronaut mit 98 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fünf Jahre unterwegs ist, legt er 4,9 Lichtjahre zurück (fünfmal 0,98). Wie aber kann er dann den 25 Lichtjahre entfernten Stern erreichen? Die Lösung: Entfernungen sind relativ, Raum ist relativ. Es kommt jener Effekt zum Tragen, den bereits Lorentz beim Ätherexperiment entdeckt hatte: Schnelle Objekte schrumpfen in Bewegungsrichtungen. Einstein nannte dies Längenkontraktion.
Der neue Kopernikus
Diese beiden Säulen der Speziellen Relativitätstheorie, Zeitdilatation und Längenkontraktion, widersprechen jeder Alltagserfahrung, und Einstein hielt seine Resultate selbst für eigentümlich. Doch er vertraute auf die Mathematik: Er hat die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit angenommen und alles andere daraus deduziert, sagt Aichelburg. Die Mathematik hilft, zu Lösungen zu kommen, die unserer Anschauung nicht entsprechen, erklärt Kummer. Mathematik erlaubt den Schritt ins Unbekannte. Man muss nur aufpassen, dass man nicht danebensteigt.
Einstein trat nicht daneben. 1971 wurde die Zeitdilatation experimentell bestätigt. Ein Flugzeug mit hochpräzisen Atomuhren an Bord umrundete die Welt, und auf der Erde wurden die gemessenen Zeiten mit ebensolchen Chronometern verglichen. Die Uhren im Flugzeug wichen tatsächlich von jenen am Boden ab. Auch die Verlangsamung des Alterns ist längst bestätigt: Aus dem Kosmos rasen spezielle Teilchen, so genannte Myonen, Richtung Erde. Myonen sind jedoch äußerst instabil und müssten eigentlich längst zerfallen sein, bevor sie die Erde erreichen. Doch weil sie fast mit Lichtgeschwindigkeit herabflitzen, wird ihre innere Uhr derart verlangsamt, dass sie es tatsächlich bis zur Erde schaffen.
Egal, wie oft die Relativitätstheorie überprüft wurde nie konnte sie widerlegt werden. Einstein brachte zudem Maxwell und Newton miteinander in Einklang: Licht und elektromagnetische Wellen benötigten nun keinen Äther mehr, um sich überall gleichmäßig ausbreiten zu können, und das Prinzip der Relativität war geradezu zementiert. Raum und Zeit musste Einstein ihre Absolutheit nehmen in dieser Hinsicht hat er Newtons Welt auf den Kopf gestellt.
Die neue Theorie sprach sich in der Fachwelt schnell herum. Während manche Gelehrte ziemlich irritiert waren, meinte der hoch angesehene Max Planck, Einsteins Leistung sei nur mit jener von Kopernikus zu vergleichen, und lobte das Absolute, Allgemeingültige, Invariante daran. Einstein selbst sagte bloß: Meine Freude ist unbeschreiblich.
Für ihn hatte sich indes wenig verändert. Er arbeitete weiterhin als Patentierknecht, ab 1906 als Experte II. Klasse mit einer Gehaltserhöhung von 1000 Franken. Ebenfalls im Jänner 1906 durfte er sich Doktor Einstein nennen. Und rasch begann er wieder mit dem Grübeln. Sein Verallgemeinerungsbedürfnis zwang ihn nun zu Anstrengungen, die fast zehn Jahre dauern sollten, und bald erkannte er: Gegen dies Problem ist die ursprüngliche Relativitätstheorie eine Kinderei.
In Teil zwei in profil Nr. 4:
Die Allgemeine Relativitätstheorie; Flucht aus Europa; die Weltpolitik, der Krieg und die Atombombe; Suche nach der Weltformel; Veranstaltungen zum Einstein-Jahr.