Mythos

Einsteins Erben

Der »Ingenieur des Universums« konnte nicht alle Rätsel lösen. Bis heute suchen Physiker nach der letzten großen Formel, die alle Widersprüche auflöst

Sollte Einstein sich geirrt haben, werden es die Feministinnen vielleicht zuerst erfahren. Oder Joschka Fischer. Denn der ultimative Test der Relativitätstheorie wird in diesen Tagen im achten Stock eines Berliner Hochhauses vorbereitet, drei Stockwerke über dem Zentrum für transdisziplinäre Geschlechterforschung und einen Steinwurf entfernt vom Außenministerium. Hier haben Physiker der Humboldt-Universität ein Experiment aufgebaut, mit dem sie Einstein noch einmal auf die Probe stellen wollen. Mit einer Genauigkeit von 18 Dezimalstellen, so präzise, wie nie jemand zuvor gemessen hat. Sollten sie etwas Spektakuläres messen, wird der Außenminister die Sektkorken knallen hören.

»Bis jetzt konnten wir dem guten alten Einstein noch keine Fehler nachweisen«, kommentiert Juniorprofessor Achim Peters die ersten Testläufe. Das mag aber auch an Sat.1 liegen. Der Fernsehsender hat gegenüber seine Satellitenschüsseln platziert und funkt den Physikern direkt ins Labor. Und unter dem Hochhaus rauscht die U2 durch den Berliner Untergrund und schickt elektromagnetische Wellen nach oben. Keine Idealbedingungen für ein ultraempfindliches Präzisionsexperiment. Noch ringen die Berliner Physiker mit Hilfe von Abschirmungen und Antistörelektronik um die 16. Stelle nach dem Komma.

Es ist hundert Jahre her, dass Einstein die Fachwelt mit seinen Theorien überrumpelte, aber noch heute hält er die Physik in Atem. Wer zum Einstein-Jahr eine Bilanz zieht, wird feststellen: Fünfzig Jahre nach seinem Tod ist Einstein hochaktuell. Im kollektiven Arbeitsspeicher der Physik, der Online-Bibliothek www.arxiv.org , wurden seit Anfang dieses Jahres 2.600 Fachartikel abgelegt, die den Namen Einstein in der Zusammenfassung erwähnen. Auf Stephen Hawking beziehen sich nur rund 400 Artikel, auf Isaac Newton immerhin 1.000 (von denen allerdings viele den Forschungssatelliten XMM-Newton meinen).

Haben Einsteins Nachfahren den Respekt vor dem Übervater verloren?

Es sieht keineswegs so aus, als hätte Einstein die Naturwissenschaft in Harmonie und Ordnung hinterlassen. Seine Erben diskutieren Schwarze Löcher, Gravitationswellen, den Urknall und exotische Quantenmaterie. Kosmologen aus aller Welt streiten über die Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Britische Astrophysiker stellen Einsteins Postulat infrage, ein Lichtstrahl habe im Vakuum immer dieselbe Geschwindigkeit, egal, wie schnell sich die Lichtquelle bewege. Und Achim Peters von der Humboldt-Universität liefert sich ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit Forschungsgruppen in Düsseldorf und Australien, um die Grenzen der Relativitätstheorie aufzuspüren. Es scheint, als habe die Erbengemeinschaft den Respekt vor ihrem Übervater verloren.

Im achten Stock der Humboldt-Universität hat der wissenschaftliche Nachwuchs allerlei High Tech aufgefahren, um Einsteins populärste Theorie auf die Probe zu stellen. Auf einer langsam rotierenden Stahlplatte leuchtet ein Laser, dessen Licht aufgespalten und auf zwei rechtwinklig angeordnete Bahnen geschickt wird. Das Experiment ist die moderne Variante eines Versuchs, mit dem Albert Michelson 1881 die Geschwindigkeit der Erde durch den Weltraum messen wollte – ebenfalls in Berlin und auch unter widrigen Bedingungen: Pferdekutschen rumpelten über das Kopfsteinpflaster und ließen das Physikalische Institut erzittern.

Damals glaubten die Naturforscher, ein durchsichtiger, gasähnlicher Stoff erfülle das Universum und transportiere Lichtwellen durchs All: der Äther. Die Erde müsste demnach auf ihrer Bahn um die Sonne mit 370 Kilometern pro Sekunde den Äther durchpflügen. Doch in der Speziellen Relativitätstheorie von 1905 war für das hypothetische Medium kein Platz mehr. Das All ist ein Vakuum, und Licht, sagt Einstein, breitet sich darin immer gleich schnell aus (mit rund 300.000 Kilometern pro Sekunde), egal, welche Geschwindigkeit die Lichtquelle hat.

Bisher hat Einsteins Spezielle Relativitätstheorie allen Überprüfungen standgehalten. Auch die regelmäßig wiederkehrenden Meldungen, Signale ließen sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen, entpuppen sich zuverlässig als Fehlinterpretationen. Zwar gibt es Lichtfelder, die Einsteins Tempolimit überbieten. Aber Informationen übertragen – und darauf kommt es an – kann man mit diesem Tempo nicht.

Zehn Jahre nach der Speziellen brachte Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie unters Volk. Ihr zufolge wird die vierdimensionale Raumzeit von der Gravitation der Sterne und Planeten regelrecht verbogen, sodass auch Lichtstrahlen plötzlich auf Kurvenbahnen durchs All flitzen. Das ist hoch abstrakt, aber deshalb nicht falsch – wie das US-Militär in den siebziger Jahren bei der Entwicklung der ersten Navigationssatelliten erfahren musste. Damals kam es noch einmal zum großen Showdown zwischen klassischer und moderner Physik: Die Ingenieure waren skeptisch, als sie in den ersten GPS-Satelliten eine elektronische Korrektur für die Atomuhr an Bord einbauen sollten. Physiker hatten ihnen vorgerechnet, dass Uhren im Weltall anders ticken als auf der Erde. Laut der Speziellen Relativitätstheorie gehen bewegte Uhren langsamer als ruhende, nach der Allgemeinen Relativitätstheorie beeinflusst sogar die Schwerkraft die Zeit. Aber welcher Ingenieur schert sich schon um Albert Einstein?

Die Skeptiker setzten durch, dass die Atomuhren zunächst ohne die Einstein-Korrektur starten sollten. Der Satellit wurde allerdings mit Zusatzelektronik und einem ferngesteuerten Schalter ausgestattet. Bei Bedarf konnte man die Uhren damit auf Einstein-Theorie umpolen, auch wenn der Satellit bereits die Erde umkreiste. Und so verkörperte zum Satellitenstart am 23. Juni 1977 ein einziger Schalter noch einmal den großen Paradigmenwechsel der modernen Physik: »Ein« für Einstein und die Relativitätstheorie, »Aus« für Isaac Newton und die klassische Physik.

Der erste GPS-Satellit erreichte die Umlaufbahn ohne Zwischenfälle. In 20.000 Kilometer Höhe raste er um die Erde. Perfekt – bis auf ein kleines Problem: Die Atomuhr ging falsch. Nach 20 Tagen lag sie fast eine tausendstel Sekunde neben der korrekten Uhrzeit. Für Präzisionstechnologie ist das eine Ewigkeit. Einstein hatte mal wieder Recht behalten. Die Einstein-Korrektur wurde eingeschaltet und nie wieder angetastet.

Würde man die Effekte von Spezieller und Allgemeiner Relativitätstheorie nicht berücksichtigen, läge ein GPS-Gerät nach einer Woche 70 Kilometer falsch. Theoretische Physiker, die von nörgelnden Steuerzahlern nach ihrer Existenzberechtigung gefragt werden, verweisen heute gelassen auf das Weihnachtsgeschäft mit GPS-Geräten.

Arbeitslos sind die Physiker damit allerdings nicht. Dafür gibt es noch zu viele Baustellen. Einstein wusste selbst, dass sein Gesamtwerk noch nicht vollendet war. Über die wichtigste Gleichung der Allgemeinen Relativitätstheorie sagte er, die linke Seite der Formel sei auf Granit gebaut, die rechte auf Sand. Links vom Gleichheitszeichen steht die Mathematik der Raumzeit, die rechte Seite beschreibt die Verteilung von Massen und Energien im Universum. Mit seinen Zweifeln sollte er Recht behalten: Seit einigen Jahren rätseln Kosmologen wieder, ob auf der rechten Seite etwas fehlt. Denn 1998 entdeckten sie, dass sich das Weltall immer schneller ausdehnt. Das lässt sich nur durch eine mysteriöse abstoßende Kraft erklären, die die Sterne auseinander treibt, eine Art Antigravitation. »Dunkle Energie« nennen die Forscher die große Unbekannte, die mehr als 70 Prozent der Gesamtenergie des Universums ausmachen soll. Das klingt nach schwarzer Magie, und viel mehr steckt bislang auch nicht dahinter.

Wahrscheinlich wird erst eine Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantentheorie das Rätsel der Dunklen Energie und andere letzte Fragen beantworten. Einstein hat Übermenschliches geleistet, aber an dieser Aufgabe ist er gescheitert. Die Physik des ganz Großen und die Physik des ganz Kleinen haben bis heute keine Berührungspunkte. Die Relativitätstheorie beschreibt Planeten, Galaxien und Gravitationskräfte, die Quantentheorie – die Einstein zwar mit angestoßen, aber wegen ihrer statistischen Natur stets abgelehnt hat – gilt für Atomkerne und Moleküle. Das funktioniert gut, solange Planeten groß und Atome klein bleiben. Schrumpft jedoch ein Stern oder gar der ganze Kosmos auf die Größe eines Sandkorns zusammen wie in einem Schwarzen Loch oder im Urknall, verlieren die Theorien ihre Gültigkeit. Präzisionsexperimente mit Lasern, Teilchenbeschleunigern, Gravitationswellenempfängern und Satelliten sollen nun dabei helfen, die neue Physik aufzuspüren.

Die letzten dreißig Jahre seines Lebens hat Einstein selbst versucht, Quantentheorie und Gravitationsphysik zu einer einzigen Theorie zu vereinen. Erfolglos, wie man heute weiß. Es hätte den Fortschritt der Physik wohl nicht beeinträchtigt, bemerkte sein Biograf Albrecht Fölsing später, wäre Einstein in dieser Zeit einfach nur seinem Hobby nachgegangen: Segeln.

Zur Häme gibt es allerdings wenig Anlass. Die Weltformel hat man bis heute nicht entdeckt. Und wahrscheinlich ist auch niemand kurz davor. Allein am Albert-Einstein-Institut (AEI) in Potsdam-Golm arbeiten mehr als hundert Theoretiker aus aller Welt an der Operation Weltformel. Die einen favorisieren die Stringtheorie, die die punktförmigen Elektronen und Quarks aus der Teilchenphysik durch schwingende Fäden ersetzt und außerdem eine 10- bis 11-dimensionale Welt postuliert. Die anderen setzen auf die Schleifen-Quantengravitation (loop quantum gravity), bei der Raum und Zeit nicht mehr kontinuierlich, sondern aus Raum-Zeit-Körnchen zusammengesetzt sind. Beide Fraktionen haben sich wenig zu sagen. Es wird schon als Durchbruch gefeiert, wenn sie – wie in Golm – im selben Institut arbeiten oder bei einer Physikkonferenz einander freundlich zunicken. Von der Weltformel scheint man Lichtjahre entfernt. »Vielleicht brauchen wir erst einen neuen Einstein«, sagt AEI-Direktor Bernard Schutz.

Ein Jahrhundertgenie wünscht sich auch Jörg Frauendiener, gewählter Vertreter der Gravitationsphysiker in Deutschland: »Wir brauchen jemanden, der sich unvorbelastet an das angehäufte Wissen herantraut, der ohne Dogmen und Vorurteile die richtigen Gedanken und Assoziationen hat.« Aus Deutschland wird der neue Einstein wohl nicht kommen. »Hierzulande wird Gravitationsphysik an den Universitäten vernachlässigt«, klagt Frauendiener, »in der Schule können Physiklehrer die Fragen nach Schwarzen Löchern oder Dunkler Materie nicht mehr beantworten, weil an der Uni die Professoren fehlen.«

Die Relativitätstheorie spielt in Deutschland nur eine Nebenrolle

Es gebe nur noch einen einzigen Lehrstuhl für Relativitätstheorie in Deutschland. Und bei der kommenden Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin wird die Relativitätstheorie nur eine Nebenrolle spielen, obwohl die Tagung ganz im Zeichen des Einstein-Jahrs stehen soll. Festkörperphysik und Quantentheorie dominieren das Programm. »Das spiegelt die Ignoranz der deutschen Physiker«, schimpft Frauendiener. Ein anderer Gravitationsphysiker, der lieber anonym bleiben möchte, beklagt, das Fach habe sich bis heute nicht davon erholt, dass die Relativitätstheorie in der Nazizeit als jüdische Theorie diffamiert worden sei: »Heute ist nicht der Rassismus schuld, aber das System ist behäbig.«

Und wenn Achim Peters auf der Frühjahrstagung davon berichten würde, dass in seinem Berliner Hochhaus die Relativitätstheorie in der 16. Stelle nach dem Komma von der Messung abweicht? Es wäre eine Sensation, aber außer den Geschlechterforschern und dem Außenminister würde sie nur ein kleiner Expertenkreis bemerken. Peters ist das gar nicht mal so Unrecht – die meisten Physiker würden das Ergebnis nämlich anzweifeln. Schließlich wirft man eine erfolgreiche Theorie nicht über den Haufen, nur weil ein Juniorprofessor 20 Meter über einer U-Bahn seltsame Abweichungen feststellt. »Mir wurde schon geraten, derartige Ergebnisse in einem unbekannten chinesischen Fachjournal zu veröffentlichen«, sagt Peters, »und dann lieber noch mal nachmessen zu lassen.«