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Die Allgemeine Relativitätstheorie, die Albert Einstein vor 100 Jahren veröffentlichte, entstand nicht in seinem stillen Kämmerlein. Er entwickelte sie Schritt für Schritt, etwa ab dem Jahr 1907. Immer wieder publizierte er wissenschaftliche Artikel, in denen er seine Gedanken und Ideen transparent machte.
Einen wichtigen Schritt stellte 1913 der «Entwurf einer verallgemeinerten Relativitätstheorie und einer Theorie der Gravitation» dar – von zwei Autoren. Neben Einstein, der für den physikalischen Teil verantwortlich zeichnete, lieferte der Schweizer Marcel Grossmann, Geometrie-Professor an der ETH Zürich, den mathematischen Teil.
Grossmann war ein Freund Einsteins und half ihm bei seiner Theorie entscheidend weiter. Denn die sogenannten «Feldgleichungen» waren für Einstein anfangs unbekanntes Terrain – doch sie wurden das Gerüst und Herz der Allgemeinen Relativitätstheorie.
SRF: Herr Sauer, Sie erforschen Einstein und die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) seit Jahren. Und beschreiben ihre Entwicklung gerne in Form einer «Biografie» – was war für Sie der Zeitpunkt der Zeugung von Einsteins Kind?
Tilman Sauer: Das war die Äquivalenz-Hypothese im Jahre 1907. Einstein überlegte sich damals, dass die Beschleunigung, die alle Körper in einem Schwerefeld erfahren, im freien Fall vollständig aufgehoben ist: Wenn ich mich im freien Fall befinde, spüre ich mein eigenes Gewicht nicht mehr. Diese Äquivalenz von Gravitations- und Trägheitskräften erlaubte es ihm, das Wesen der Gravitation zu analysieren. Aber es sollte noch Jahre dauern, bis Einstein daraus eine mathematisch formulierte Theorie entwickeln konnte.
«Grossmann, Du musst mir helfen, sonst werde ich verrückt», soll Einstein zu dem befreundeten Mathematiker gesagt haben. Sie haben Einsteins Manuskripte studiert. Zeigt sich da irgendwo die Verzweiflung des werdenden Vaters?
In seinem Zürcher Notizbuch von 1912 sehen wir Einstein sozusagen dabei zu, wie er sich zusammen mit Freund Grossmann den Formalismus der Feldgleichungen aneignet – von den ersten holprigen Gehversuchen bis zu recht geschickter Verwendung. Er macht Fehler, einfache und nicht so einfache, läuft in Sackgassen, nimmt Umwege. Grossmann zeigt ihm dabei nicht nur die neue Mathematik, sondern hilft ihm auch.
Im Rückblick war die Geburt der ART ein zäher Prozess. Einstein verrannte sich zwischenzeitlich... – was war sein grösster Irrtum?
Im Notizbuch sehen wir, dass Einstein und Grossmann alle Feldgleichungen, die Einstein drei Jahre später wieder aufgreifen wird, bereits einmal untersucht hatten. Dazu gehört auch die richtige Feldgleichung, die wir heute Einstein-Gleichung nennen. Das heisst, in seinem Notizbuch hatte er die Lösung vor Augen – ohne sie zu erkennen.
Was glauben Sie: Hat er sich darüber später sehr geärgert?
Nein, er hat diesen Prozess des Suchens und Tastens später als unvermeidlichen Prozess gesehen, durch den man als kreativer Wissenschaftler hindurch muss. Ärgern sollte man sich nur über vermeidbare Fehler. Im Rückblick ist uns heute klar, dass die Allgemeine Relativitätstheorie tiefgreifende Veränderungen in unserem Verständnis der physikalischen Grundbegriffe mit sich brachte. Und gerade die Tatsache, dass Einstein und Grossmann nicht erkannten, dass sie dem Ziel eigentlich schon sehr nahe waren, zeigt, wie fundamental dieser Wandel war.
Im November 1915 dann die Publikation der ART mit den Gleichungen. Und im Mai 1919 lieferte eine britische Expedition einen Beleg: Während einer Sonnenfinsternis wurde von zwei Orten aus mit Aufnahmen nachgewiesen, dass die gewaltige Masse der Sonne das Licht von Sternen krümmt – doch heute erscheinen Fachleuten diese Messungen eigentlich zu ungenau. Hat Einstein seine Lorbeeren da verfrüht geerntet?
Die Messungen waren natürlich nicht so genau, wie wir sie heute machen können, und bei beiden Expeditionen traten Probleme auf. Der Leiter Arthur Eddington, Link öffnet in einem neuen Fenster konnte auf der Insel Principe nur eine oder zwei seiner Fotoplatten auswerten, weil der Himmel bewölkt war. Und bei der anderen Messung in Brasilien gab es systematische Abbildungsfehler bei einer der Linsen. Aber Eddington und seine Kollegen haben die Aufnahmen sehr kritisch ausgewertet und kamen zum Schluss, dass die Daten die Einstein‘sche Vorhersage eindeutig bestätigten. Und natürlich haben alle späteren Experimente dies auch getan – mit immer höherer Genauigkeit.
Von da an war Einsteins Kind jedenfalls weltbekannt. Was war aus Ihrer Sicht ihr grösster Nutzen für die Wissenschaft?
Die Konsequenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind vielfältig und tiefgreifend. Die gesamte moderne Kosmologie beruht auf ihr. Aus philosophischer Sicht ist sie ein Beispiel für einen umgreifenden Begriffswandel in der Physik. An ihm lässt sich studieren, wie sich vermeintlich ewige Grundbegriffe doch ändern – und zugleich, wie wichtig es dabei ist, das bereits vorhandene Wissen zu nutzen und zu bewahren.
Im Alltagsleben freilich spüren wir wenig von der ART, abgesehen von relativistischen Zeiteffekten, die beim GPS beachtet werden. Wo sonst erwiesen sich Einsteins Theorien als nützlich – zum Beispiel auch sein erstes Kind, die Spezielle Relativitätstheorie?
Die Spezielle Relativitätstheorie bewährt sich täglich, zum Beispiel bei der Forschung in den Teilchenbeschleunigern in aller Welt. Auch das Cern, wo vor einiger Zeit das berühmte Higgs-Teilchen entdeckt wurde, würde es ohne diese Theorie nicht geben.
Seine revolutionären Einsichten trugen Einstein nicht nur Weltruhm, sondern auch viel Neid ein. Und die Feindschaft von deutschen Forschern, die sich als Nazis radikalisiert hatten – bis hin zu Mordaufrufen. Einstein kehrte Deutschland für immer den Rücken. Er hat sich häufig öffentlich geäussert, doch hat er auch seine Gefühle dazu offengelegt?
Jedenfalls hat er sich nach seiner erzwungenen Emigration in die USA 1933 vor allem immer wieder für die in Nazi-Deutschland verbliebenen Juden eingesetzt. Er half, wo er konnte, um den verfolgten Kollegen und Freunden bei der Ausreise zu helfen. In seinen öffentlichen Äusserungen klagte er immer wieder die Internationalität der Wissenschaft ein – und die Verantwortung der Forscher für eine friedliche und demokratische Welt. Aber diese Stellungnahmen, die ihm später auch in den USA nicht nur Sympathie einbrachten, hat er auch als Ablenkung von seiner eigentlichen Leidenschaft angesehen: Viel lieber hätte er sich in Ruhe seinen Spekulationen zu einer einheitlichen Feldtheorie gewidmet…
… die seine ART mit der Quantenphysik versöhnen sollte, weil es zwischen diesen Theorien ja Widersprüche gibt. Wo lagen seine Schwierigkeiten mit dieser «Weltformel», seinem dritten Kind, das nie das Licht der Welt erblickte?
Vieles von seinen späteren Arbeiten ist noch unerforscht. Wir werden bestimmt noch einiges lernen können, wenn wir uns seine Überlegungen näher ansehen. Aber die Hauptprobleme waren von zweierlei Art. Zum einen hat Einstein noch nicht die volle Vielfalt der Elementarteilchen und Wechselwirkungen miteinbezogen, die wir heute kennen: Er beschränkte sich auf die Teilchen Proton und Elektron und auf die Kräfte Gravitation und Elektromagnetismus. Zum anderen werden die mathematischen Begriffe sehr kompliziert: In diesem Labyrinth von Möglichkeiten ist es schwer, einen Überblick zu bekommen.
Eine solche «Weltformel» zu entwickeln, ist bis heute nicht gelungen. Lässt sich überhaupt absehen, ob Einsteins Erben dereinst ein schlüssiges Modell entwickeln könnten?
Nein, das kann auch ich nicht beurteilen. Aber aus meiner Erfahrung als Historiker bin ich sicher, dass theoretische und experimentelle Physik auch in der Zukunft immer wieder überraschende Einsichten gewinnen werden.
Tilman Sauer
Der promovierte Physiker, Jahrgang 1963, forscht an der Uni Mainz. Als Wissenschaftshistoriker war er zuvor an der Uni Bern, am Berliner Max Planck-Institut und in Göttingen tätig. Er befasst sich mit Einsteins Werk und war lange Mitherausgeber von dessen Werken im «Einstein Papers Project» am California Institute of Technology.