Zum 100. Geburtstag der Relativitätstheorie

Einstein, geboren am 14.3.1879 in Ulm, gestorben am 18.04.1955 in Princeton

Was ist das Geheimnis der einsteinschen Geniestreiche?

Eine Zusammenfassung der Spiegelveröffentlichung Ausgabe 3/2005

Das gesamte Begriffsinventar der damaligen Physik stellte der junge Albert Einstein auf dem Prüfstand; fast nichts hielt seiner scharfsinnigen Kritik stand. Raum, Zeit, Energie, Masse, Strahlung und Licht – nichts ist nach Einstein mehr, was es vorher war. Den das gesamte Weltäther ausfüllenden Äther, seinerzeit für den Physiker so selbstverständlich wie heute Galaxien oder Quarks, schaffte er kurzerhand ab. Stattdessen läutete er die Ära der Atome und Quanten ein.

Wie ist es möglich, dass ein einzelner Mann das gesamte Fundament der Physik wanken ließ?

Im Jahr 1905, dem Jahr der fünf epochalen Veröffentlichungen ist der Revoluzzer aus Bern gerade einmal 26 Jahre alt, weder hat er einen Doktortitel noch eine akademische Stellung. 48 Stunden wöchentlich verbringt er an seinem Schreibtisch im Patentamt, abends erwarten ihn in der möblierten Wohnung in der Kramgasse eine Frau und ein einjähriger Sohn.

Noch nie hat er mit einer der Koryphäen seines Fachs ein Wort gewechselt: Planck, Lorentz, Boltzmann – sie alle kennt er nur aus den Fachzeitschriften. Und doch reicht ihm das aus, sie zu überflügeln.

Einsteins Alter allein erscheint dabei noch gar nicht ungewöhnlich; oft genug erwies sich jugendlicher Übermut als förderlich bei wissenschaftlicher Pioniertaten. Niels Bohr war z.B. erst 28, als er sein Atommodell präsentierte.

Nein, es war mehr als sein Alter, was Einstein einzigartig macht. Kein anderer war so sehr Außenseiter wie er, und keiner zettelte in einem einzigen Jahr gleich drei Revolutionen an:
In dem Wunderjahr 1905 hob er nicht nur die Relativitätstheorie aus der Taufe, er ebnete auch der zweiten Umwälzung des Denkens den Weg: der Quantenmechanik

Er allein hatte damit jene beiden Säulen errichtet, auf denen seine Nachfolger das gesamte Gebäude der modernen Physik errichteten. Gleichsam nebenbei lieferte er dann in seiner Arbeit über die so genannte brownsche Molekularbewegung noch einen maßgeblichen Beweis für die damals noch umstrittene Existenz der Atome. Und als sei es noch nicht genug, setzte er am Ende des Jahres noch eins drauf: Die verblüffende Schlussfolgerung aus der Relativitätstheorie: Beim Rechnen war Einstein auf jene Schicksalsformel gestoßen, die inzwischen mehr als jede andere mit seinem Namen verbunden ist: E=mc². Masse, so die Aussage dieser Gleichung, ist nichts anderes als eine Form von Energie.

Versuche, die Geniestreiche des Berner Patentangestellten zu erklären, hat es immer schon gegeben. Lassen wir Einstein selber sprechen:

„Der Erwachsene denkt nicht über die Raum-Zeit-Probleme nach. Ich dagegen habe mich so langsam entwickelt, dass ich mich erst anfing, mich über Raum und Zeit zu wundern, als ich bereits erwachsen war.“

Es stellt sich die Frage, wie kann ein einzelner Mensch so viele neue Erkenntnisse erlangen? Kaum eine der Formeln, die Einstein in seiner berühmten Arbeit mit dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“ niederschrieb, war wirklich neu. Ja, viele waren längst zum Gemeingut unter den Experten geworden. Und doch hatte niemand erkannt, was aus diesen Formeln folgt: ein völlig neues Konzept von Raum und Zeit. Worin aber bestand der wesentliche Schritt, der über alles zuvor Gedachte hinausführte?

Vor allem der große niederländische Physiker Hendrik Anton Lorentz war weit auf dem Weg hin zur Relativitätstheorie vorangeschritten. Er hatte eine Theorie über das Verhalten bewegter Elektronen formuliert, und dabei war ihm aufgefallen, dass er die Zeitkoordinate auf ganz seltsame Weise manipulieren musste, damit seine Gleichungen einen Sinn ergaben. Doch das hielt Lorentz nur für einen mathematischen Trick, dem er keinerlei Bedeutung für die wirkliche Welt beimaß.

Noch einen Schritt weiter war der französische Mathematiker Henri Poincaré gegangen. Er hatte sich gründlich mit den lorentzschen Formelwerk befasst und kam zum Schluss: „Vielleicht müssen wir eine neue Mechanik entwerfen. Die Lichtgeschwindigkeit wäre darin eine nicht überwindbare Grenze.“ Für eben das, was Poincaré hier vorschlägt, erntete Einstein später den Ruhm.

Warum nur, so fragt sich, blieb Poincaré so kurz vor dem Ziel stehen? Fast scheint es, als habe er die Schwelle zur modernen Physik bereits überschritten, nur dass er es selbst nicht merkte. Und dabei war er bestens gerüstet: Er war ja nicht nur einer der brillantesten Mathematiker seiner Zeit. Er war auch als Philosoph und hellsichtiger Denker berühmt – ein Universalgelehrter, der kühne Ideen nicht scheute. 

Es besteht kaum ein Zweifel, dass die Gedanken des Franzosen tief auf Einstein gewirkt haben. Vor allem sei es Poincarée Werk „La science et l´hypothese“ gewesen, das Einstein faszinierte. So konnte Einstein ernten, was Lorentz und Poincaré gesät hatten.

Aber warum war es Einstein, der die Entdeckungen machte?

Drei große Gedankengebäude hatten die Physiker errichtet.

Die Mechanik, die beschreibt, wie die festen Körper unter dem Einfluss äußerer Kräfte bewegen. Isaac Newton hatte ihr schon im 17. Jahrhundert eine mathematische Gestalt gegeben.

Daneben war im 19. Jahrhundert die Elektrodynamik getreten, die sich mit dem Verhalten von Elektronen und Magneten, von elektrischen Feldern und Strömen befasst. Der britische Physiker James Clark Maxwell hatte 1864 die ganze Fülle elektro- magnetischer Phänomene in einen Satz von nur vier Gleichungen gefasst. Die verblüffende Folgerung aus seinem Formelwerk: Licht ist seinem Wesen nach nichts anderes als eine durch den Raum laufende elektromagnetische Welle.

Neben diesen beiden Thesen bestand die Physik des angehenden 20. Jahrhunderts noch aus einem dritten großen Teilgebiet: der Thermodynamik, die dem Wesen der Wärme gewidmet ist. Wie sehr dehnt sich ein Körper bei Hitzezufuhr aus? Wie viel Energie ist nötig, um ihn zum Schmelzen zu bringen? Und wie breitet sich die Wärme aus?

Die Vorstellung, dass jede dieser Theorien nur eine andere Ansicht eines großen Ganzen erlaubt, lag den Physikern jener Zeit fern.

Viele Physiker waren überzeugt, dass es in der Physik noch wenig zu entdecken gab.

Kaum einer der Physiker merkte, wie sehr diese drei Theorien, so schlüssig und brillant ihre mathematische Form auch erscheinen mochte, einander letztlich widersprachen.

Die ungelösten Probleme dieser Zeit wie das „Wesen des leeren Raums“ und die „Struktur aller Materie“ konnte durch die Trennung in diese drei Teildisziplinen der Physik nicht aufgelöst werden.

Zum einen stellten sich die Forscher den leeren Raum als ausgefüllt mit Äther vor. Diesen dachten sie sich als durchsichtigen Substanz, in der sich die elektromagnetischen Wellen ausbreiten wie Schall in der Luft. Doch woraus dieser Äther eigentlich bestehen sollte, wussten sie nicht. Warum bremst er nicht die Bewegung der Planeten und Sterne, die ihn doch durchpflügen. Strömt er, und wenn ja, wohin und wie schnell? Und warum ist dann nirgendwo etwas zu spüren von Ätherwinden? Keine dieser Fragen vermochten die Physiker zu beantworten.

Noch offensichtlicher scheint es aus heutiger Sicht, dass die Antwort auf eine zweite Frage ein Umdenken unumgänglich machen würde: die Frage nach dem Aufbau aller Materie. Zwar war die Vorstellung, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen, den Atomen, zusammengesetzt sind, für die Chemiker eine Selbstverständlichkeit. Der Physikgemeinde indes reichten die Indizien nicht.

Die Tragweite dieser ungeklärten Fragen war den Zeitgenossen nicht bewusst. Zu sehr waren sie befangen im alten Denken, das alle drei Teildisziplinen der Physik getrennt betrachtete.

Es bedurfte eines Außenseiters, eines Autodidakten, um die Betriebsblindheit zu überwinden – und der saß, wie sich zeigte, im Patentamt von Bern. Fernab aller wissenschaftlichen Kongressen und Institute brütete Einstein dort vor sich hin. Und wie ein Galeriebesucher, der die großen Konturen eines Gemäldes erst erkennt, wenn er einige Schritte zurücktritt, so offenbarte sich ihm, was dem Blick der Experten verborgen geblieben war.

Einstein richtete sein Interesse auf das Verhältnis dieser Theorien zueinander:

Seine Arbeit über die brownsche Molekularbewegung schlägt die Brücke von der Mechanik zur Thermodynamik. Einstein geht dabei von der Annahme aus, dass die Wärme nichts anderes als das ungeordnete Umherschwirren von Molekülen ist. Unter dem Mikroskop kann man diese Zickzackbewegung beobachten.

In seinem Artikel zur Quantenhypothese befasst sich Einstein zunächst mit der Wärmestrahlung, die von allen warmen Körpern ausgesandt wird. Scharfsinnig erkannte er hier einen Konflikt zwischen Elektro- und Thermodynamik – ein Widerspruch , der sich nur auflösen lasse, wenn die Vorstellung dessen, was Licht ist, grundlegend verändert werde:
In bestimmten Situationen verhalte es sich, als bestehe es nicht aus elektromagnetischen Wellen, sondern aus einzelnen, winzigen Energiepaketen.

Die Relativitätstheorie schließlich ist in der Reibungszone von Mechanik und Elektrodynamik angesiedelt. Einstein war einer der wenigen, die begriffen, dass beide Theorien in ihrer klassischen Form nicht miteinander vereinbar waren. Die einzige Möglichkeit, sie miteinander zu versöhnen, bestand darin, das Konzept von Raum und Zeit grundlegend zu reformieren.

Einstein Vorgehensweise war dabei stets die gleiche: Er suchte den Widerspruch, stellte alle Begriffe vorbehaltslos in Frage. Aufbauend auf einer Idee erhob er diese zum Postulat, entwickelte daraus eine Hypothese und erweiterte diese zu einer allgemein gültigen Theorie. Dabei scheute er sich nicht im Gegensatz zu den Mathematikern seiner Zeit einfach die unbedeutenden Teile einer Formel wegzulassen. So konnte er auf dem Rechenweg zu vollkommen neuen Erkenntnissen gelangen und es gelang ihm, die Aussagekraft einer Formel zu erhöhen.

Beispiel:  E = m c²/ (1-q²/c²)  =  m c²

Bei g kleinem q ist der Quotient von q²/c² sehr klein und der Nenner annähernd 1. Dadurch ist dieser Wert im Nenner bei kleiner Geschwindigkeit 1 und zu vernachlässigen; übrig bleibt der Zähler mit der einfachen Verknüpfung von Energie und Masse.

Einstein gelang es, die drei großen Theoriegebäude der Physik miteinander zu verstreben. Erst Dank Einstein erscheinen sie nun wie verschiedene Ansichten ein und derselben Natur – die Vorstellung einer einheitlichen Naturbeschreibung war geboren; einer Idee, welche bis heute die Physik maßgeblich beeinflussen sollte, die Suche nach der so genannten Weltformel.

Wie damals, so glauben die Physiker auch heute wieder, dass der Kosmos gefüllt ist mit einem eigenartigen Fluidum nicht näher bekannten Natur. Nur heißt dieses heute nicht „Äther“ ,sondern „Dunkle Energie“. Wie damals sind alle Forscher von ihrer Existenz überzeugt, ohne zu wissen, woraus diese seltsame allgegenwärtige Energie eigentlich besteht.

Auch das zweite große Rätsel an der Schwelle zur modernen Physik findet heute eine verblüffende Entsprechung: Wieder deutet sich an, dass die Welt, mit hinlänglich starker Vergrößerung betrachtet, ihren kontinuierlichen Charakter verliert. Damals war es die Materie, die sich als aus winzigen Teilchen, den Atomen, zusammengesetzt erwies. Diesmal sind zwar die Atome bis in alle ihre Bestandteile hinein verstanden. Doch dafür zeichnet sich nun ab, dass auch Raum und Zeit selbst eine „körnige“ Struktur zu haben scheint.

Die neue Stringtheorie knüpft daran an und ersetzt den Punkt durch einen faden (String), der in mehreren Raumdimensionen (momentan sind es 11 Dimensionen) schwingt.

Das zentrale Rätsel der Quantenphysik zeigt das Doppelspalt-Experiment.
Tritt Licht durch einen Spalt, wird auf einer Leinwand oder einer Fotoplatte dahinter ein leuchtender Strich abgebildet. Sind zwei parallele Spalten zugleich geöffnet, sollten sich der klassischen Physik zufolge entsprechend zwei Leuchtspuren dahinter ausbilden. Doch in der Quantenphysik ist das ganze mehr als die Summe der Teile: Anstelle von zwei Leuchtstreifen entsteht ein komplexes Interferenzmuster. Demnach verhalten sich die Photonen – deren Teilchennatur sich in Experimenten wie dem Photo- und dem Compton-Effekt oder in elektronischen Photozählern offenbart – wie Wellen, die einander überlagern.
Dasselbe gilt für Elektronen und Neutronen, sogar komplexe Moleküle wie Fullerene konnten inzwischen zur Interferenz gebracht werden. Dasselbe Überlagerungsbild entsteht, wenn die einzelnen Partikel nicht gleichzeitig, sondern hintereinander durch  den Doppelspalt hindurch fliegen. Es ist, als „wüssten“ die Teilchen, ob beide Spalten offen sind oder nicht. Nach dem klassischen Verständnis kann ein Teilchen entweder nur durch den einen oder den anderen Spalt gelangen, aber nicht „mit selbst interferierend“ durch beide!

Im so genannte EPR-Paradoxon, benannt nach den Anfangsbuchstaben der Autoren: Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen, erkannte Einstein, dass die Quantentheorie entweder unvollständig ist und somit durch „verborgene Variablen“ ergänzt werden muss, oder dass es so genannte „verschränkte Zustände“ gibt. Hierbei würde die Messung einer Quanteneigenschaft, beispielsweise die Polarisation des Photons, augenblicklich die Quanteneigenschaft eines damit verschränkten anderen Photons (hergestellt in einem Feldspat) festlegen – unabhängig davon, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind. Diese „Nichtlokalität“ widerspricht dem klassischen dreidimensionalen Sichtweise des Raums.

Wie damals um die Jahrhundertwende stehen wir am Beginn eines neuen Zeitalters. Wieder sind Widersprüche in der Natur vorhanden, die durch die neuzeitliche Physik nicht erklärt werden können. Es bedarf wiederum eines neuen Ansatzes, eines Postulats, an dem sind Hypothesen und Theorien kristallisieren können.

Ich denke, dass die Physik der Mehrdimensionalität des Raumes unser Wissen  wesentlich erweitern kann. Die ersten Schritte auf vielen gangbaren Wegen sind mit der Stringtheorie gemacht. Der Erfahrungsbereich des Menschen ist auf die drei Raumdimensionen beschränkt. Aber die Mathematik, z.B. die Vektorrechnung, kann die Türen zu neuen Erkenntnissen aufschließen.

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