Beobachtungstipp im August 2015

Das Jahr 2015 ist ein Einsteinjahr. Gute 10 Jahre sind vergangen seit dem letzten Einsteinjahr. Im Jahr 2005 konnten wir den 50. Todestag und das 100-jährige Jubiläum der Speziellen Relativitätstheorie begehen. Das ist mittlerweile 10 Jahre her. Zehn Jahre, die der geniale Denker Einstein benötigte, seine Formel E = m · c² weiter zu entwickeln und aus ihre Konsequenz eine ganz neue relativistische Weltanschauung zu machen. Im Jahr 1915 veröffentlichte Albert Einstein seine Arbeiten zur Allgemeinen Relativitätstheorie und brachte damit die Physik und die Astronomie in ganz neue Bahnen. Neue Weltbilder brauchen ihre Zeit und auch heute noch wird die Allgemeine Relativitätstheorie auf die Probe gestellt. Die Spezielle Relativitätstheorie gab uns eine neue Vorstellung von Energie, Masse, Geschwindigkeit und räumte mit der starren Zeit und dem absoluten Raum auf. In den folgenden 10 Jahren entwickelte er auf dieser Basis eine Theorie der Gravitation und ersetzte die damals 300 Jahre alte Newton'sche Vorstellung von Raum und Zeit.

Für Newton war die Gravitation eine schwache Kraft, die abhängig von beteiligten Massen und deren gegenseitigen Abstand wirkt. So wird der Apfel, der vom Baum fällt ebenso von der Gravitation angezogen, wie der Mond, der die Erde umkreist. Die Gravitation ist eine immer anziehende Kraft. Erde und Apfel, genau wie Mond und Erde oder auch der Planet des kleinen Prinzen und Erde ziehen sich an. Was oder wie die Kraft übertragen wird, das konnte Newton nicht erklären. Mit Newtons Physik konnte man viele Phänomene bestens nachvollziehen. Das Sonnensystem wurde zum Newton'schen Uhrwerk und ermöglichte sogar die Entdeckung des Planeten Neptun. Für die meisten Berechnungen ist Newtons Physik ausreichend, jedoch weichen die Vorhersagen der Gravitationstheorie bei größeren Massen und extremeren Bedingungen von der gemessenen Realität ab. Es treten relativistische Phänomene auf, die ein anderes Verständnis der Gravitation erfordern.

Und hier liegt die Leistung Einsteins. Er verknüpft Raum und Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit. Diese Raumzeit interagiert mit den darin befindlichen Massen und der Energie. Die Raumzeit wird durch Massen gekrümmt und die Raumzeitkrümmung bestimmt die Bahn der Masse durch die Raumzeit. Der Apfel fällt nicht zur Erde, weil die Gravitation der Erde ihn anzieht. Die Masse der Erde krümmt die Raumzeit und der Apfel bewegt sich auf der gekrümmten Bahn durch die Raumzeit auf die Erde zu.

Weil man sich eine vierdimensionale Raumzeit nicht vorstellen kann, nutzt man für die Darstellung gerne ein dreidimensionales Beispiel. Legt man eine schwere Kugel auf ein Gummituch, so entsteht ein Beule, die umso größer ausfällt, je größer die Masse der Kugel ist. Das Tuch repräsentiert den dreidimensionalen Raum. Lässt man eine kleinere Kugel nun an der größeren Kugel vorbei rollen, so wird die Bahn dieser Kugel durch die entstandene Vertiefung oder Krümmung unseres "Raumzeitgummituchs" abgelenkt. So geschieht es der Erde, wenn sie auf dem Weg durch den Weltraum durch die Raumzeitgeometrie der Sonne abgelenkt wird. In der vierdimensionalen Raumzeit bewegt sich die Kugel auf dem kürzesten Weg. Die Betrachtung im dreidimensionalen Raum wirkt wie eine Kreisbahn um die Sonne.

Dieses Modell des Universums ist sehr elegant und hat eine gewisse Schönheit. Trotzdem stieß Einstein nicht auf allgemeine Zustimmung. Die Theorie erforderte damals eine Mathematik, die den meisten Physikern nicht zugänglich war. Gekrümmte vierdimensionale Räume, überhaupt das Berechnen mehrdimensionaler Systeme war mehr die Kompetenz der Mathemantik, nicht der Physik. Mathematiker waren in der Regel nicht mit den Problemen der modernen Kosmologie vertraut. Einstein, ein Physiker, nahm gerne die Hilfe seines Freundes Marcel Großmann an, der als Mathematiker die Feldgleichungen der Relativitätstheorie herleitete.

Die große Formel verinnerlicht das mathematische Gerüst der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das "G" ist der Einsteintensor, der die gekrümmte Raumzeit darstellt. Auf der anderen Seite befindet sich die Masse oder Energie der Raumzeitkrümmung.

Einsteins Theorie konnte bestimmte Eigenschaften des Universums nicht vorhersagen. Ein Problem, welches Kritiker auf den Plan rief. Ausgehend von einem stationären, ewigem Universum hätten die Gesetze Einsteins, wie auch die Gravitation Newtons, dazu geführt, dass das Universum in sich zusammengestürzt wäre, weil die Gravitation immer anziehend und über unendliche Distanzen wirkt. Einstein umging das Problem mit einer Gegengleichung, der kosmologischen Konstanten, die als Gegenkraft zur Gravitation den Kollaps des Universums vermeiden sollte. Im Jahr 1919, also vier Jahre nach der Veröffentlichung, kam es zur schlagartigen Wende im Fall Relativitätstheorie. Während einer Sonnenfinsternis beobachtete der Astrophysiker Arthur Eddington die Lichtablenkung der Hyadensterne in der Nähe der Sonne. Das Licht folgte den Gesetzen der Raumzeitkrümmung der Relativitätstheorie und gilt als erster experimenteller Nachweis der Richtigkeit dieses Machwerks. Einstein sagte diesen Effekt voraus. Die Beobachtung ist nicht ganz leicht gewesen. Das Licht wird am Sonnenrand nur um 1,75 Bogensekunden (1/1000tel Monddurchmesser) abgelenkt.

Eddington, ein Brite, stieß den Landsmann Isaac Newton 300 Jahre nach seiner Gravitationstheorie vom Thron. Einstein wurde über Nacht zum Superstar. In den Folgejahren musste die Theorie noch viele Tests bestehen und die Formeln der Feldgleichungen lieferten genaueste Ergebnisse. In vielen Bereichen findet man heute relativistische Phänomene. Man kann sie direkt mit Atomuhren messen oder im Weltall beobachten. Große Massen krümmen die Raumzeit derart, daß sie wie Linsen wirken, sogenannte Gravitationslinsen. Die Genauigkeit von GPS-Systemen hängt von der Kenntnis der Gravitation ab. Hier spielen sogar zwei Effekte eine Rolle, die sich gegenseitig abschwächen. Die Satelliten erfahren eine geringere Raumzeitkrümmung, weil sie weit oberhalb der Erdoberfläche schweben (ca. 400 km). Sie altern deswegen etwas schneller oder für uns Erdbewohner vergeht die Zeit langsamer. Die große Geschwindigkeit auf ihrer Bahn um die Erde sorgte aber dafür, dass die Satelliten die Raumzeit selber beeinflussen und die Uhren deswegen etwas langsamer gehen im Vergleich zu den Erdenuhren. Dieser Effekt der Zeitdilatation ist aber größer als der gravitationsbedingte Zeitverlauf. Würde man beide Effekte nicht berücksichtigen, so summierte sich der Fehler des GPS-Systems im Jahr immerhin auf 10 km. In den 20'er Jahren des 20. Jahrhunderts war Einsteins Theorie für die praktische Anwendung noch ohne Belang. In den 30'er Jahren schlug die Astrophysik einen neuen Weg ein. Ging man bis dahin von einem stationären Universum aus, deuteten Beobachtungen von Galaxien mehr darauf hin, dass das Universum expandiert. Der Astronom Edwin Hubble entdeckte Rotverschiebungen in den Spektren entfernter Galaxien. Die Rotverschiebung war ein Maß für die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien. Bei der Flucht wird das Licht der Galaxien etwas in die Länge gezogen und erscheint röter. Je weiter die Galaxien entfernt schienen, desto größer war die beobachtete Rotverschiebung. Es schien also, als ob alle Galaxien vor uns flüchteten oder als ob sich das Universum ausdehnt. Letzteres war wahrscheinlicher. Damit wurde das stationäre Universum begraben und mit ihm die kosmologische Konstante. Die neue Weltsicht hatte es zunächst schwer. Die Vorstellung eines expandierenden Weltalls, welches im Umkehrschluss in ferner Vergangenheit aus einem "Uratom" entstanden ist, war vielen Astrophysikern befremdlich. So prägte ausgerechnet einer der größten Widersacher dieser Weltanschauung den Begriff des "Big Bang", des Urknalls. Einstein war darüber nicht traurig, war die Kosmologische Konstante ein Zusatzterm, der eher einem Taschenspielertrick als einer physikalischen Gesetzmäßigkeit entsprach. Ganz problemlos passte die Urknalltheorie zunächst auch nicht. Das berechnete Weltalter passte mit der Lebensdauer der ältesten Sterne nicht überein. Die Sterne waren älter als das Universum. So mussten die Parameter oft angepasst werden, so daß wir aktuell bei einem Weltalter von 13,7 Milliarden Jahren angekommen sind. Die Urknalltheorie ist heute die Standarttheorie und liefert viele Übereinstimmungen mit den Beobachtungen und Messungen der modernen Astrophysik.

Die Physik selber konnte ihre Probleme bisher nicht lösen. Die Physik des 20. Jahrhunderts wurde durch eine weitere Theorie geprägt, der Quantentheorie. Die Quantentheorie beschäftigt sich mit den kleinsten Teilchen und dem Aufbau der Materie. Im Reich der subatomaren Teilchen, wie Protonen, Elektronen, Neutrinos und Co. herrschen anscheinend andere Gesetze, die sehr im Gegensatz zur Relativitätstheorie stehen. Trotz vieler Bemühungen, gelang es bisher aber nicht, eine einheitliche Theorie für alles zu finden. Einstein suchte seither nach einer Quantentheorie der Gravitation. Er war nicht erfolgreich. Seine Lebenszeit reichte nicht und das Forschungsfeld der Quantentheorie war natürlich nicht so fortgeschritten wie heute. Im Moment gibt es noch keine richtige Lösung für das Problem.

Die Stringtheorie und die Vorstellung von mehrdimensionalen schwingenden Objekten sind Lösungsansätze, entziehen sich aber der Beweisbarkeit. Die moderne Astrophysik hingegen sucht Erklärungen für fehlende Massen, der dunklen Materie und einer Kraft, die das Universum auseinander treibt - die dunkle Energie. Der Schöpfer scheint Einsteins Kosmologische Konstante doch für eine gute Idee gehalten zu haben. Die Beweise für dunkle Energie und dunkle Materie verdichten sich immer mehr und sind für die Vorstellung von der Entstehung des Universums nicht mehr weg zu denken...

Sternfreundliche Grüße,
Christian Overhaus

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