Manche Uhren ticken anders

Manche Uhren ticken anders

Albert Einstein löste eine Revolution in der Physik aus. Jetzt wäre er 125 Jahre alt geworden. Exklusiv im Intrinet das vollständige Interview mit dem Trierer Wissenschaftler Professor Klaus Fischer zu Einstein und der Relativitätstheorie.

Geschwindigkeit hat eine Grenze, aber Raum und Zeit sind relativ. Dies fand der Physiker Albert Einstein heraus. Er trotzte mit der Veröffentlichung seiner Allgemeinen und Speziellen Relativitätstheorie vor rund 100 Jahren gängigen Vorstellungen in der Wissenschaft und bereitete den Weg für die Physik der Moderne. Albert Einstein wäre am Sonntag, 14. März, 125 Jahre alt geworden.
Irgendwie kann alles immer schneller gehen, möchte man mit gesundem Menschenverstand meinen. Ob Autos immer mehr PS haben oder Raumschiffe immer mehr Schubkraft bekommen – die Tachonadel scheint eigentlich keine Grenze zu kennen. Stimmt aber nicht: Ihre Grenze liegt bei genau 1.079.251.200 Stundenkilometern, der Geschwindigkeit, mit der sich Licht ausbreitet.
Uhren gehen immer gleich schnell, ob am Nordpol oder am Äquator, möchte man meinen, denn die Zeit scheint das Maß aller Dinge zu sein. Stimmt auch nicht, denn die Anziehungskraft von Körpern, beispielsweise von der Erde und ebenso die Geschwindigkeit, mit der sich eine Uhr bewegt, beeinflussen die Zeit.
Es wirkt zwar auf den ersten Blick paradox, aber der gebürtige Ulmer Physiker Albert Einstein fand zu Beginn des 20. Jahrhunderts heraus, warum diese scheinbaren Paradoxa Realität sind. Tatsächlich: Nichts ist schneller als Licht. Es bewegt sich mit 300 000 Kilometern pro Sekunde, das entspricht 1 079 251 200 Kilometern pro Stunde. Dieses Tempo ist das absolute Limit im Universum, sowohl für Materie als auch für Strahlung oder Information.
Das haben bereits vor Einstein die Physiker Albert Michelson und Edward Morley bewiesen. Ihre Idee: Sie bauten ein sehr genaues Messinstrument, mit dem sie die Geschwindigkeit des Lichts einmal in Bewegungsrichtung (Drehachse) der Erde und einmal in die Gegenrichtung maßen. Die Ergebnisse hätten unterschiedlich sein müssen. Einmal hätte die Lichtgeschwindigkeit gemessen werden müssen, einmal Lichtgeschwindigkeit plus die Drehgeschwindigkeit der Erde. Die Ergebnisse waren aber völlig gleich. Ein weiteres Beispiel für Einsteins Experimente: Man wirft aus dem Stand heraus einen Apfel mit 20 Stundenkilometern nach vorne. Wenn man den Apfel aus einem fahrenden Auto heraus nach vorne wirft, ist er 20 Stundenkilometer plus die Geschwindigkeit schnell. Fährt das Auto also mit 50 Stundenkilometern, hat der Apfel eine Geschwindigkeit von 50 plus 20 gleich 70 Stundenkilometern.
Und hier beginnt die Relativität: Vom Autofahrer aus gesehen hat der Apfel ein Tempo von nur 20 Stundenkilometern. Für einen an der Straße stehenden Beobachter hat der Apfel ein Tempo von 70 Stundenkilometern. Welches Tempo hat er nun eigentlich? Einsteins Antwort: Es kommt auf den Blickwinkel des Beobachters an, das so genannte „Bezugssystem“.
Mit diesen Ideen sorgte Einstein in der Physiker-Szene zu Beginn des 20. Jahrhunderts für Verwirrung. Auch Einsteins Idee, dass schwere Körper Zeit und auch Licht beeinflussen, stieß auf Widerspruch. Das konnte er jedoch bald beweisen. Auf der Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie erklärte Einstein die bis dahin unerklärbaren Schwankungen in der Bahnbewegung von Planeten und sagte die Beugung des Sternenlichts in der Nachbarschaft großer und schwerer Körper, beispielsweise der Sonne, voraus.
Die Bestätigung des Phänomens während einer Sonnenfinsternis 1919 wurde ein Ereignis, und Einsteins Ruhm verbreitete sich in der ganzen Welt. Denn tatsächlich: Die sichtbare Position eines Planeten veränderte sich, als durch die Sonnenfinsternis ein schwerer Körper die Bahn berührte, in der das Licht des Planeten die Erde erreichte. Das Licht wurde gebeugt und der Planet erschien an einer Stelle, an der er gar nicht war.
Folgt man Einsteins Theorie über die Zeit, würde zum Beispiel ein Raumfahrer, der auf eine lange Reise zu einem weit entfernten Planeten geht, weniger schnell altern, als sein Bruder auf der Erde. Die hohe Geschwindigkeit seines Raumschiffs würde den Ablauf der Zeit verlangsamen. Wenn er nach langer Zeit von der Reise zurückkehrte, wäre sein Bruder ein Greis, während er selbst kaum gealtert wäre.
Wo begegnet uns Einstein heute, und wie ist seine Theorie zu verstehen?

Professor Klaus Fischer von der Universität Trier hat mehrere wissenschaftliche Arbeiten über Einstein veröffentlicht und erklärt, warum die Welt nun doch nicht so Kopf steht, wie nach Einsteins Theorie zu erwarten wäre:

Wo begegnen uns Einsteins Ideen heute?

Klaus Fischer.: Interessanterweise gerade nicht dort, wo man mit dem Begriff des "Relativen" spielt. Entgegen einer öffentlich verbreiteten Meinung hat Einstein nicht gesagt daß "alles relativ ist". Er war im Gegenteil der Ansicht, daß die Natur durch strenge deterministische Gesetze beherrscht wird. Deshalb hielt er auch die Willensfreiheit für eine Illusion - was einige unserer heutigen Hirnforscher sicher freuen wird, obwohl sie sich dieser geistigen Nähe vermutlich nicht bewußt sind. Einstein wählte den Begriff des "Relativitätsprinzips", der dann zum Kern der "Relativitätstheorie" wurde, nur deshalb, weil ein anderer Begriff, der scheinbar das Gegenteil bedeutet, bereits belegt war, nämlich der Begriff "Invariantentheorie". Die mit Einsteins Namen verbundenen beiden Theorien - die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie - sagen uns, wie wir die Naturgesetze mathematisch umformen müssen, wenn wir von unserem Standpunkt (unserem Bezugssystem) aus physikalische Vorgänge verstehen wollen, die sich in einem anderen Bezugssystem abspielen. Die Spezielle Relativitätstheorie wenden wir dann an, wenn dieses andere Bezugssystem gegenüber dem unseren gleichförmig bewegt wird, die Allgemeine Relativitätstheorie, wenn sich das andere Bezugssystem gegenüber dem unseren nicht gleichförmig bewegt. Der springende Punkt ist, daß die Unterschiede zwischen unserem Bezugssystem und einem beliebigen anderen System nur dann von praktischer Bedeutung sind, wenn entweder große Geschwindigkeiten, starke Beschleunigungen oder sehr große Massen im Spiel sind, oder wenn wir eine extrem hohe Meßgenauigkeit haben wollen. Das bedeutet, daß Einsteins Theorie für unseren Alltag kaum eine Bedeutung haben wird, solange dieser nicht einschließt, daß wir uns mit "Warp 9" durch das Weltall bewegen - was vorläufig nur in der "Science Fiction" möglich ist. Es gibt aber tatsächlich auch heute schon einige anwendungsorientierten Bereiche der Forschung, in denen man Einsteins Gleichungen berücksichtigen muß. Als beispielsweise die NASA die Voyager-Sonden zur Erkundung des Sonnensystems auf kompliziertem Kurs um den Planeten Jupiter lenkte, um der Sonde Schwung für ihren Weiterflug zu verschaffen, mußte sie relativistische Korrekturen ansetzen, um den richtigen Kurs zu finden. Noch anwendungsnäher ist das mittlerweile von Millionen Menschen benutzte Global-Positioning-System. Um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen, muß man hierbei zum einen die Geschwindigkeit der Signalübertragung berücksichtigen, zum anderen aber auch Veränderungen der internen Uhren der um die Erde kreisenden Meßsatelliten im Vergleich zu den Uhren auf der Erde. Hier tritt aufgrund der verschiedenen Stärke des Graviationsfeldes eine Verschiebung ein (auf der Erde gehen Uhren langsamer als im Orbit), die sogar ziemlich kompliziert werden kann, wenn es sich um eine elliptische Bahn handelt. Auch auf der Erde ist im übrigen das Gravitationsfeld auch nicht an jeder Stelle gleich stark. Größere Bedeutung hat die Theorie bis jetzt aber für die Forschung. In den großen Elementarteilchen-Beschleunigern werden kleine Partikel oder Wellenpakete bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann auf Ziele gelenkt, mit denen sie mit unvorstellbarer Wucht kollidieren. Dabei wird Energie in Masse oder Masse in Energie umgewandelt. Es spielt sich also etwas ab, was mit der berühmten Einsteinschen Formel e=mc2 beschrieben wird. Man braucht Einsteins Theorie aber noch in einem scheinbar sehr weit entfernten Bereich - nämlich dann, wenn es um die Klärung kosmologischer Fragen geht, die mit der Raumkrümmung durch Neutronensterne, schwarze Löcher, aber natürlich auch kleinerer Körper zusammenhängen. Hier kommt der von Einstein postulierte Zusammenhang zwischen Geometrie und Energie, bzw. Masse, ins Spiel. Für das Alltagsbewußtsein tut sich hier eine sehr fremde Welt auf, die aber genauso real ist wie ein Suppenteller oder ein Wolkenbruch. Vielleicht begegnen uns Einsteins Ideen heute auch auf einem ganz anderen Gebiet. Nach den Katastrophen der beiden Weltkriege, unter denen Einstein sehr gelitten hat, plädierte der große Physiker für eine Forcierung der "Wissenschaft der menschlichen Beziehungen". Um den "Bann des Nationalismus" zu brechen, forderte er in einer Stellungnahme an die Vereinten Nationen "ein großes Zentrum für soziologische Studien, in dem die Wege und Mittel zum besseren Verständnis unter den Völkern erforscht werden". Einstein verurteilte jeden Nationalismus, auch jenen, der sich als Patriotismus maskiert. Auch dieser berge die "moralischen Requisiten des tierischen Hasses und Massenmordes", die im Kriegsfall wirksam werden. Wir haben zwar noch immer nicht jenes große Zentrum, aber es gibt vielfältige Forschungen zur Wissenschaft der menschlichen Beziehungen und zu den Bedingungen des Friedens. Jedenfalls hat Einsteins Forderung und Mahnung keineswegs an Aktualität eingebüßt. Was ist das Fundamentale, über das rein Mathematische Hinausgehende an Einsteins Theorie? Klaus Fischer.:Einstein hat uns zu einer neuen Sicht der Welt verholfen. Er hat gezeigt, daß die uns scheinbar so vertraute Welt aus einer anderen Perspektive - etwa einem schnell bewegten Bezugssystem - sehr seltsam aussehen würde, obwohl sie nach wie vor durch dieselben Gesetze beherrscht wäre. Dies kann man in der Tat als Paradigmenwechsel betrachten, den viele zeitgenössische Physiker nicht mitmachen konnten oder wollten. Es war eine komplizierte Situation, in der sich Generationenkonflikte, nationalistische Strömungen und antimodernistische Einstellungen kreuzten. Es gab damals in Deutschland sogar Versuche, die neue "relativistische" Sicht der Welt als Ausfluß eines angeblich unanschaulichen, alles relativierenden und in abstrakte Spekulationen auflösenden "jüdischen Geistes" zu diffamieren. Kurioserweise hat man in den damaligen antimodernistischen und deutschtümelnden Kreisen der Naturwissenschaft auch die Quantentheorie zu dieser unerwünschten neuen Physik gezählt - womit nicht nur Einstein, sondern auch Heisenberg, Planck und Sommerfeld zur Zielscheibe wurden. Abgesehen von diesen Frontlinien, die heute keine Rolle mehr spielen, in denen sich aber ein sehr altes romantisches Motiv der Naturbetrachtung spiegelt, zeigt sich hierin aber ein zweites Feld, in dem Einsteins Ideen paradigmenverändernd gewirkt haben. Einstein war einer der ersten, die Plancks Idee einer Quantisierung der Welt wirklich ernst genommen haben - ernster als Planck selbst, müßte man fast sagen! Einstein hat 1905 den Begriff des Photons (Lichtquantums) geprägt, der sich erst viele Jahre später in der Physik durchsetzen sollte, um zu zeigen, daß sich jede Form elektromagnetischer Strahlung als System diskreter Einheiten (als eine Art Gas) betrachten läßt. Nicht für seine Arbeiten zur Relativitätstheorie, sondern für seine Beiträge zur Quantentheorie hat Einstein 1921 den Nobelpreis erhalten. Was kommt nach Einstein? Klaus Fischer.:Das wissen die Götter. Die Hoffnung der Physiker ist, daß der Traum Einsteins von einer allgemeinen Feldtheorie sich vielleicht in Form einer der Spielarten der String-Theorie erfüllen könnte. War Einstein zu Beginn des 20. Jhs. alleine oder hatte er "Mitstreiter"? Klaus Fischer.:Einstein war zum Zeitpunkt der Formulierung der speziellen Relativitätstheorie in den Jahren bis 1905 Teil einer Art jüdisch-sozialistischen Bohéme in Zürich und später Bern, die anti-bürgerlich, anti-klerikal, moralisch unkonventionell und in der einen oder anderen Weise unkonventionell gesinnt war. Möglicherweise hat dies die Ausreifung seiner umstürzlerischen physikalischen Ideen gefördert. Wissenschaftlich gesehen war Einstein ein Einzelkämpfer, der natürlich die wichtigsten Zeitschriften las und mit einigen anderen Physikern in brieflicher Korrespondenz stand, aber nicht Teil eines "Netzwerks" im heutigen zeitgeistkonform überhöhten Sinn war. Bis zuletzt bezeichnete er sich als "Einspänner", der nicht gut in eine kollektivistische Forschungslandschaft paßte. Es gab allerdings einen Freund, einen Mathematiker und ehemaligen Kommilitonen, der für seinen Lebensweg entscheidend war. Der hieß Marcel Grossmann und war ganz am Anfang von Einsteins beruflichem Weg dafür verantwortlich, daß der arbeitslose Hilfslehrer Einstein eine Stelle als "Experte dritter Klasse" am Berner Patentamt bekam. In einem späteren Brief an Großmanns Witwe sprach Einstein von einer "Art Lebensrettung, ohne die ich wohl zwar nicht gestorben, aber geistig verkümmert wäre". Es ist ein seltsamer, aber gleichwohl nicht unrealistischer Gedanke, daß uns der Name Einstein ohne diese "geistige Rettung" überhaupt nicht bekannt wäre. Es war nämlich keineswegs so, wie man heute vielfach zu glauben scheint, daß die große Begabung Einsteins für jeden sichtbar war. Seine Lehrer und Korrespondenzpartner erkannten sie über viele Jahre hinweg nicht. Es war ja auch nicht gerade eine Traumkarriere: Im ersten Anlauf das Abitur verfehlt, nicht gerade ein Qualitätsexamen, Promotion nur mit Schwierigkeiten im zweiten Anlauf, danach von den Universitäten wegen seines Notendurchschnitts trotz unendlich vieler Bewerbungsversuche abgewiesen. Ein Genie solcher Art wäre heute eine harte Nuß für Wissenschaftsevaluateure - vermutlich würde er nicht besonders gut abschneiden. "Tut uns leid, Herr Einstein, leider müssen wir Ihr Gehalt wegen mangelnder Leistung kürzen!" Einstein hatte keine gute Meinung vom akademischen Milieu. Nach seiner Ansicht "versetzt es einen jungen Menschen in einer Art Zwangslage, wissenschaftliche Schriften in impressiver Menge zu produzieren - eine Verführung zur Oberflächlichkeit, der nur starke Charaktere zu widerstehen vermögen". Wie die Physik ohne Einstein verlaufen wäre, wissen wir nicht. Vermutlich wäre die spezielle Relativitätstheorie auch so gekommen - vielleicht nicht unter diesem Namen, aber ob wir heute eine allgemeine Relativitätstheorie hätten, ist nicht so klar. Dieser Teil von Einsteins Werk ist sehr eng mit der subjektiven Vorstellungswelt des großen Physikers verwoben und wäre von anderen vielleicht in ganz anderer Weise aufgenommen und entwickelt worden. Auch dabei ist Marcel Großmann noch einmal für Einstein sehr wichtig geworden. Er gab ihm nämlich einen mathematischen Tip bei der Suche nach einer "Sprache", in der sich seine Ideen überhaupt ausdrücken ließen.

Ist die Lichtgeschwindigkeit immer noch das "Maß aller Dinge"?