100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie Willkommen in Einsteins Universum

Sie sprengt unsere Vorstellungskraft und beflügelt Science-Fiction-Autoren: Vor genau 100 Jahren stellte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie vor. Schwarze Löcher, Dunkle Energie, Urknall - diese Begriffe sollten Sie kennen.

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Albert Einstein: Seine Theorie galt zunächst als Hirngespinst
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Albert Einstein: Seine Theorie galt zunächst als Hirngespinst


Es war nicht weniger als eine Revolution: Vor exakt 100 Jahren verblüffte Albert Einstein die Welt mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Anfang November 1915 vorgelegte Arbeit enthielt noch einige Fehler - aber am 25. November waren diese ausgebügelt, und seine neue Theorie war fertig. Sie berichtet vom Werden und Vergehen unseres Universums, von gefräßigen Schwarzen Löchern und rasenden Gravitationswellen.

SPIEGEL ONLINE erzählt in fünf Geschichten, wie Einsteins Ideen in den vergangenen 100 Jahren unsere Vorstellung vom Universum radikal verändert hat.

I. Einsteins Theorie: Die gekrümmte Raumzeit

Viele Jahre hatte Einstein mit der Idee gerungen. Dann, im November 1915, gelang ihm endlich der Durchbruch. Die Allgemeine Relativitätstheorie war geboren. Sie war sein Meisterstück.

Im November 1915 präsentierte er sie der Öffentlichkeit - in der Königlich-Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin. Ob die Professoren Einsteins Vortrag wirklich verstanden haben? Das darf bezweifelt werden, seine Theorie war hochkomplex und stellt in Frage, wovon jeder eine Vorstellung zu haben glaubt: Raum und Zeit.

Im Alltag scheint die Zeit stoisch mit der immer gleichen Geschwindigkeit zu vergehen. Der Raum wiederum wirkt wie eine starre Bühne, auf der die Natur ein Schauspiel aufführt. Doch in Einsteins Universum beeinflusst das Schauspiel die Bühne, und die Bühne wiederum verändert den Verlauf des Schauspiels.

Alles relativ
Spezielle Relativitätstheorie (1905)
Die spezielle Relativitätstheorie, kurz SRT, erklärt die Bewegung von Körpern und Feldern in Raum und Zeit. Zu ihren wichtigsten Annahmen gehört, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Dies hat unter anderem zur Folge, dass für sich sehr schnell, also nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegende Objekte, die Zeit langsamer vergeht als für ruhende - auch bekannt als Zwillingsparadoxon. Albert Einsteins Arbeit "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" aus dem Jahr 1905 gilt als Basis der SRT.
Allgemeine Relativitätstheorie (1915)
Die allgemeine Relativitätstheorie (ART) erweitert die spezielle Relativitätstheorie (SRT) um das Phänomen der Gravitation. Die Anziehung zwischen Massen interpretiert sie dabei als Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit. Albert Einstein stellte die Grundzüge der ART im November 1915 in vier Vorträgen der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin vor.
Jede Materie verformt den Raum, so wie eine Kugel ein Gummituch eindellt, auf dem sie liegt. Rollt eine Murmel über das Gummituch, lenkt die Verformung diese in Richtung der großen Kugel. Auf diese Weise erklärt Einstein, warum sich Materie gegenseitig anzieht: Beide verformen den Raum und beeinflussen so die Bahn des je anderen.

Nicht nur der Raum ist formbar, auch die Zeit: Jede Veränderung des Raumes beeinflusst, wie schnell die Zeit fortschreitet. In Einsteins Universum bilden Raum und Zeit eine Einheit, die sogenannte Raumzeit.

Merkur (grün) auf Abwegen: Sonne (orange) krümmt die als Netz dargestellte Raumzeit
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Merkur (grün) auf Abwegen: Sonne (orange) krümmt die als Netz dargestellte Raumzeit

Einsteins Theorie klingt fantastisch, doch schon am gleichen Tag zeigte er, dass seine Ideen mehr waren als Hirngespinste. Denn im Handstreich löste er ein Jahrzehnte altes Rätsel der Astronomie.

Seit Kepler konnten Astronomen die Bahn der Planeten exakt vorhersagen. Nur der sonnennächste Planet, der Merkur, verhielt sich anders als erwartet. Einstein lieferte die Erklärung: Die Sonne krümmt den Raum um sich herum derart stark, dass sie Merkur auf eine ganz besondere Bahn schickt. Einsteins Berechnung passte perfekt, die neue Theorie hatte ihre erste Probe bestanden.

II. Schwarze Löcher: Fallen im Universum

In den folgenden Jahren stürzten sich Physiker und Mathematiker auf Einsteins Idee und entdeckten immer unglaublichere Phänomene. Das wohl bizarrste sind die sogenannten Schwarzen Löcher.

Laut Einsteins Theorie verformt Materie die Raumzeit - je schwerer und dichter die Materie ist, umso tiefer ist die Delle in der Raumzeit. Eine extrem dichte Masse kann die Raumzeit so stark krümmen, dass die Delle unüberwindbar tief wird. Alles in der Delle ist in ihr gefangen und vom Rest des Universums entkoppelt, selbst Licht kann nicht mehr herausgelangen.

Raumkrümmung eines Schwarzen Lochs: Das Massemonster verrät sich durch seine Wirkung auf die Umgebung
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Raumkrümmung eines Schwarzen Lochs: Das Massemonster verrät sich durch seine Wirkung auf die Umgebung

Ein solches Gebilde hat eine enorme Anziehungskraft auf alles in seiner Umgebung. Es kann die Massen mehrerer Sonnen verschlingen und in einem Punkt zusammenpressen. In ihrem Zentrum steht die Zeit still. Kann es solch ein bizarres Objekt wirklich geben?

Die Forscher machten sich auf die Suche. Direkt sehen kann man solche Schwarzen Löcher nicht, sie geben kein Licht ab. Doch ihre Wirkung auf ihre Umgebung verrät sie. Seit den Siebzigerjahren haben Forscher immer mehr Kandidaten für ein Schwarzes Loch entdeckt. Mittlerweile vermutet man im Zentrum einer jeden Galaxis ein solches Ungetüm. Auch im Zentrum der Milchstraße existiert eines, 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt.

III. Der Urknall: Von der Entstehung des Universums

Am ersten Tag schuf Gott Himmel und Erde, am vierten Tag die Sterne. Diese Geschichte stammt aus dem ersten Buch Mose. Sie ist ein Mythos und keine naturwissenschaftliche Theorie. Doch einen besseren Versuch, die Entstehung des Universums zu erklären, gab es über viele Jahrhunderte nicht.

Umso erstaunlicher, dass ausgerechnet ein katholischer Priester die Erklärung lieferte, wie das Universum entstand. Der Theologe und Physiker Georges Lemaître entwickelte aus Einsteins Theorie 1927 ein eigenes Modell des Universums: Am Anfang war alle Energie und der ganze Raum in einem winzigen Punkt vereint. Dieser Punkt explodierte zum heutigen Universum. Erst mit der Explosion begann die Zeit zu laufen. Lemaîtres Kritiker schmähten diesen Vorschlag als "Urknalltheorie".

Einstein und Georges Lemaître: Am Anfang war der Urknall
AP

Einstein und Georges Lemaître: Am Anfang war der Urknall

Doch der Nachweis ließ nicht lange auf sich warten. 1929 untersuchte der Astronom Edwin Hubble die Sterne und entdeckte: Sie scheinen röter, als sie sollten. Die Erklärung: Der Raum zwischen den Sternen dehnt sich aus, und dabei dehnt er auch die Lichtwellen, die von den Sternen zur Erde fliegen. Dadurch wird das Licht rotstichig.

Von der Erde sieht es so aus, als flögen die Sterne auseinander. Doch wenn sich die Sterne scheinbar auseinanderbewegen, dann müssen sie zu einem Zeitpunkt alle zusammen gestartet sein. Die Urknalltheorie setzte sich durch. Und Papst Pius XII. gab ihr 1951 den Segen, weil sie so gut zur christlichen Schöpfungslehre passt.

IV. Gravitationswellen: Schockwellen des Raumes

1974 entdeckten Russell Hulse und Joseph H. Taylor Jr. ein erstaunliches Gebilde: ein Doppelsternsystem. Die Sterne bestehen aus Neutronen und wiegen jeweils 1,4-mal so viel wie die Sonne. Wie zwei balletttanzende Sumoringer umkreisen sich die beiden Kolosse.

Solange diese Sterne ungestört sind, sollten sie bis in alle Ewigkeiten ihre Kreise ziehen. Doch die Forscher entdeckten etwas anderes: Die Sterne nähern sich an, sie können der Anziehungskraft des je anderen Sterns nichts entgegensetzen. Den Tänzern geht die Puste aus.

Geplanter Gravitationswellendetektor "eLisa" (künstlerische Darstellung): Starttermin im Jahr 2034
ESA

Geplanter Gravitationswellendetektor "eLisa" (künstlerische Darstellung): Starttermin im Jahr 2034

Doch warum verlieren die Sterne Energie? Die Erklärung liefert Einsteins Theorie: Die beiden Sterne ziehen und zerren derart stark an der Bühne ihres Tanzes, an der Raumzeit, dass sie diese in Schwingung versetzen. Wie Wellen auf der Wasseroberfläche breiten sich sogenannte Gravitationswellen von dort ins Universum aus und tragen Energie fort.

Einstein hatte diese Schwingungen der Raumzeit vorhergesagt; für den indirekten Nachweis erhielten Russell Hulse und Joseph H. Taylor Jr. 1993 den Nobelpreis für Physik. Heute versuchen Forscher, diese Wellen direkt zu messen. Demnächst schickt die Europäische Weltraumorganisation den Satelliten "Lisa Pathfinder" in den Orbit. Dieser soll eine Technik erproben, mit der ab 2034 Gravitationswellen direkt messbar sein sollen.

V. Das Ende: Das Universum fliegt auseinander

Seit dem Urknall dehnt sich das Universum aus - dies hatte Hubble entdeckt. Die Ausdehnung wäre ohne Einsteins Theorie kaum zu verstehen, denn erst sie erklärt, dass sich der Raum wie ein Gummituch formen lässt. Durch die Expansion scheinen sich die Sterne von der Erde wegzubewegen, und zwar schneller, je weiter sie von uns entfernt sind. Mitte der Neunzigerjahre wollten zwei Forscherteams diesen Zusammenhang ganz genau untersuchen. Sie beobachteten dafür Supernovae, das sind Sterne, die kurz vor ihrem kosmischen Tod ihre letzten Energiereserven auf einen Schlag abgeben.

Die beiden Teams bestimmten, wie weit die Supernovae von uns entfernt sind und wie schnell sie sich von uns wegbewegen. Die Forscher blickten nicht nur tief ins All, sondern auch weit zurück in die Geschichte, denn das Licht der Sterne braucht lange Zeit zur Erde. Die Forscher konnten also auch beobachten, ob sich die Geschwindigkeit der Sterne seit dem Urknall verändert hat.

"Die größten Wissenschaftler sind immer auch Künstler."

"Je mehr Erfolge die Quantentheorie hat, desto dümmer sieht sie aus."

"Mathematik ist die einzige perfekte Methode, sich selber an der Nase herumzuführen."

"Mozarts Musik ist so rein und schön, dass ich sie als die innere Schönheit des Universums selbst ansehe."

"Ein Wissenschaftler ist eine Mimose, wenn er selbst einen Fehler gemacht hat, und ein brüllender Löwe, wenn er bei anderen einen Fehler entdeckt."

"Es ist schon ein Erfolg, wenn man die Natur dazu zwingen kann, einem die Zunge herauszustrecken."

"Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht."

"Ich sorge mich nie um die Zukunft. Sie kommt früh genug." Quelle der Zitate: www.einsteinjahr.de

Die Forscher erwarteten, dass die Sterne mit der Zeit immer langsamer werden. Denn wenn ein Gegenstand explodiert, dann fliegen die Splitter mit immer gleicher Geschwindigkeit weiter oder werden abgebremst - etwa durch Staub oder Gaswolken im All. Die Forscher glaubten, dass die Schwerkraft die Sterne abbremsen würde, vielleicht sogar so stark, dass sie eines Tages ihre Richtung umkehren würden.

Doch die Messung ergab etwas Unerwartetes: Die Sterne werden schneller. Nach heutigem Kenntnisstand wird das Universum immer schneller auseinanderfliegen. Die Sterne werden sich so weit entfernen, dass eines Tages kein Licht mehr am Nachthimmel zu erkennen sein wird. Schließlich werden auch die Sterne und alle Atome auseinandergerissen.

Doch welche Kraft treibt das Universum an? Bis heute haben Forscher darauf keine Antwort. Sie können die Entwicklung zwar durch die Allgemeine Relativitätstheorie berechnen, doch erklären können sie diese noch nicht. Der mysteriösen Kraft gaben sie eher ratlos den Namen Dunkle Energie.

Epilog

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich unsere Vorstellung vom Universum tiefgehend gewandelt. Die Grundlage ist jene Theorie, die Einstein vor genau 100 Jahren vorstellte. Doch viele Fragen sind noch offen: Gab es schon etwas vor dem Urknall? Wie sieht es in einem Schwarzen Loch aus? Wann messen Forscher zum ersten Mal eine Gravitationswelle? Und was ist diese Dunkle Energie, die das Universum auseinandertreibt? Die Allgemeine Relativitätstheorie hält noch immer viele Geheimnisse bereit.



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insgesamt 88 Beiträge
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Seite 1
Layer_8 24.11.2015
1. Endzeitstimmung
"Nach heutigem Kenntnisstand wird das Universum immer schneller auseinanderfliegen. Die Sterne werden sich so weit entfernen, dass eines Tages kein Licht mehr am Nachthimmel zu erkennen sein wird. Schließlich werden auch die Sterne und alle Atome auseinandergerissen." Das stimmt nach heutiger Ansicht nur in soweit, dass die verschiedenen Galaxiencluster auf Nimmerwiedersehen voreinander verschwinden. Solange die Dichte der dunklen Energie (kosmologische Konstante, Vakuumenergie) konstant den heutigen Wert beibehält. Einzelne Galaxienhaufen bleiben für sich, gravitativ gebunden, übrig, die alle in schwarzen Löchern enden werden. Und sehr viel später zu Licht verdampfen.
kurtzweil 24.11.2015
2. Zwillingsparadoxon und Spezielle RT...
Das Zwillingsparadoxon hat mit der SPEZIELLEN Relativitätstheorie nix, aber auch gar nix zu tun (es würde sie glatt widerlegen!). Wohl aber ergibt es sich aus der ALLGEMEINEN RT. Nachdenken hilft – MfG
phboerker 24.11.2015
3. immer schneller
Wenn die Sterne sich mit zunehmender Entfernung immer schneller entfernen, gibt es dann eine Entfernung, bei der sie sich mit Lichtgeschwindigkeit entfernen? Wie weit wäre die und was passiert dort und dahinter? Auch ein Ereignishorizont?
Ringmodulation 24.11.2015
4. Mitten im Satz den Numerus zu wechseln
war eine Spezialität Einsteins. Allerdings wechselte der in der Regel von Singular auf Plural, nicht umgekehrt, wie Spiegel Online in diesem Artikel. Angemesserer wär's natürlich gewesen, wenn er mitten im Satz den Tempus gewechselt hätte, aber das gibt die deutsche Grammatik nicht so einfach her. Im Artikel wird gesagt, im Alltag vergehe die Zeit immer mit der gleichen Geschwindigkeit. Aber das tut sie natürlich immer, nicht nur im Alltag -- nämlich mit der Lichtgeschwindigkeit, mit welcher denn sonst? Schwarze Löcher sollen die bizarrsten Ideen der Relativitätstheorie sein? Bizarrer als die Wurmlöcher oder die geschlossenen zeitartigen Kurven in Gödels rotierendem Universum? Naja... "In ihrem Zentrum steht die Zeit still." In wessen Zentrum? Der Umgebung? Oder der Sonne, die angeblich "in einem Punkt" zusammengepresst ist? Gilt dort auch das Pauli-Prinzip nicht mehr? Die Aussage "der Raum zwischen den Sternen dehnt sich aus" würde auch Einstein gefallen. Der glaubte nämlich nicht nur dann nicht an Fernwirkung, wenn es um Quanten ging, sondern auch bei der Gravitation. Bemerkenswert ist das deshalb, weil ein sich zwischen zwei Objekten ausdehnender Raum den Abstand zwischen diesen nichtlinear vergrößern kann, ohne dass diese selbst eine Beschleunigung erfahren.
uli-schmitt 24.11.2015
5. Endlich mal wieder
Ein guter und packender Artikel. Chapeau SPON
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