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Hintergrund: Albert Einstein – E=mc²

Zwei Theorien erregen Aufsehen

  • Schwarzweiß-Aufnahme Einsteins, der an einer Tafel schreibt. Albert Einstein sah seinen Gegnern gelassen entgegen: "Wenn ich unrecht hätte, wäre einer genug!"; Rechte: AKG
  • Schwarzweiß-Aufnahme von Albert Einstein mit Mantel und Hut. Einstein brachte das Weltbild ins Wanken; Rechte: dpa

"Wissenschaftlicher Dadaismus" nannte sie der deutsche Chemiker Paul Weyland in einem Vortrag. Ob sie eine verrückte Laune sei, fragte der Astronom Thomas J. J. See in einem Artikel in der amerikanischen Presse. Quatsch sei sie und Einstein ein gewinnsüchtiger Gaukler, zitierte eine amerikanische Zeitung den Ingenieur Arvid Reuterdahl auf dem Titelblatt. Keine Frage, Einsteins Relativitätstheorie hatte einen Teil der Wissenschaftswelt gehörig beunruhigt. Obwohl die Kritik bisweilen eher antisemitisch als wissenschaftlich begründet war – denn Einstein war Jude –, so hat die Theorie allein das damalige Weltbild bedroht und damit die Physiker, die es verbissen vertraten.

Ist jetzt alles relativ?

Einstein hatte mit den Veröffentlichungen der Speziellen und der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht nur absolute Größen wie die universelle Zeit entthront, sondern auch das Vertrauen in eine verständliche, populäre Wissenschaft zerstört. Er präsentierte Theorien, die nicht nur auf Experimenten beruhten, sondern auch auf reiner Mathematik und Gedankenexperimenten. Die Welt, die er beschrieb, überstieg jede Vorstellungskraft. Plötzlich waren Welt und Wissenschaft für die meisten Menschen unverständlich geworden. Sie fragten sich: Wenn es keine absolute Zeit gibt, gibt es dann auch keine absoluten moralischen Maßstäbe mehr?

Immer dasselbe mit dem Licht

  • Testflug des amerikanischen Raumschiffs "SpaceShipOne". Je schneller das Raumschiff desto kürzer die Zeit; Rechte: AFP
  • Aufnahme von grüner Lichtshow. Egal aus welcher Richtung ein Lichtstrahl kommt, für einen Beobachter sieht er immer gleich schnell aus; Rechte: mauritius

Mit moralischen Maßstäben konnte Einsteins Spezielle Relativitätstheorie in der Tat nicht dienen. Dafür führte sie einen anderen absoluten Maßstab ein: die Lichtgeschwindigkeit. Sie soll für jeden Betrachter gleich sein, egal ob er sich gleichförmig bewegt oder nicht. Nun ist das alles andere als selbstverständlich. Denn eigentlich müsste man ja erwarten, dass einem Raumschiff, das durch das Weltall reist, ein ihm entgegenkommender Lichtstrahl schneller erscheinen müsste als einer, der sich in dieselbe Richtung bewegt. Tatsächlich wird das Raumschiff allerdings bei sämtlichen Lichtstrahlen genau dieselbe Geschwindigkeit messen, egal aus welcher Richtung sie kommen.

Die Idee der verzerrten Zeit

Dazu muss man die Idee von einer Art universellen Uhr verabschieden, die überall in der Welt unerbittlich dieselbe Zeit schlägt. Denn für das bewegte Raumschiff ändern sich Raum und Zeit, sodass ihm Licht immer gleich schnell erscheint. Umso schneller das Schiff, desto kürzer werden Abstände, desto langsamer die Zeit. Die so genannte Raumzeit wird zunehmend verzerrt, bis schließlich bei Lichtgeschwindigkeit alle Abstände auf Null schrumpfen, die Zeit still steht. Spätestens hier versagt die Vorstellungskraft und muss durch Experimente und beobachtbare Phänomene ersetzt werden. In der Tat zeigen sich die Folgen der speziellen Relativitätstheorie. Zum Beispiel an Myonen.

Wie lange leben Myonen?

  • Myonenrad im Europäischen Teilchenforschungszentrum in Genf. Detektor zur Aufzeichnung von Teilchenbewegungen; Rechte: dpa
  • Blick aus dem All auf die Erde Myonen entstehen beim Auftreffen der kosmischen Strahlung an der Atmosphäre; Rechte: mauritius

Myonen sind Teilchen, die weit oben in der Erdatmosphäre geboren werden und zwar dann, wenn die kosmische Strahlung, ein Regen aus allerlei Teilchen, auf die Atmosphäre trifft. Ein Myon lebt nur wenige Mikrosekunden, bevor es in andere Teilchen zerfällt. Obwohl es mit einem guten Teil der Lichtgeschwindigkeit auf die Erde zurast, dürfte es eigentlich nicht einmal lang genug leben, um die Erdoberfläche zu erreichen. Nichtsdestotrotz haben Teilchenphysiker gemessen, dass die meisten Myonen sehr wohl so weit kommen.

Die Erklärung dafür ist gleichzeitig ein Beweis für die Spezielle Relativitätstheorie. Die Myonen bewegen sich relativ zur Erde so schnell, dass die Zeit für sie langsamer abläuft. Verglichen mit Erduhren genau neunmal langsamer, sagt Einsteins Theorie. Die schnellen Myonen leben also neunmal länger als wenn sie sich nicht bewegten.

Alles eine Frage der Betrachtung

Nun ist der Clou an Einsteins Prinzip, dass es aus allen Blickwinkeln heraus funktioniert. Aus der Sicht eines Myons könnte man genauso gut behaupten, die Erde saust mit einem beträchtlichen Teil der Lichtgeschwindigkeit heran. Dabei schrumpft der Weg durch die Erdatmosphäre sozusagen auf ein Neuntel und das Myon hat es nicht mehr so weit.

Doch das ist noch nicht die ganze Spezielle Relativitätstheorie. Einen Tag nachdem ein Physik-Fachjournal Einsteins erste Arbeit zu dem Thema veröffentlichte, lieferte er schon einen Nachtrag, eine „sehr interessante Folgerung“ aus seinen vorigen Überlegungen. Sie sollte die bekannteste Formel der Welt werden.

E=mc²

  • Einsteins Formel: E=mc². Einsteins berühmte Formel; Rechte: AKG
  • Schwarzweiß-Aufnahme der ersten Atombombe. 1945 explodierte die erste Atombombe in Hiroshima – manche geben Einstein die Schuld; Rechte: AKG

Mittlerweile ist sie sozusagen das Evangelium der Physik. So schön und einfach, überzeugte sie viele Wissenschaftler aus Einsteins Zeit, aber rief natürlich auch die Kritiker auf den Plan. Solche, die später behaupteten, sie sei schuld an dem Bau der Atombombe. Doch Einstein hat nie an einem Atomprogramm gearbeitet und hätte die Verwendung seiner Formel E=mc² letzten Endes auch nicht aufhalten können.

Sie besagt zunächst nur, dass Masse und Energie ineinander umgewandelt werden können. Letzten Endes bildet sie allerdings tatsächlich die Grundlage für die Kernspaltung und damit die Atombombe. Dabei zerfallen Atomkerne in mehrere kleine Kerne, die zusammen aber weniger Masse besitzen als der Kern zuvor. Die verloren gegangene Masse wird als Energie frei. Der Faktor c² sorgt dafür, dass selbst geringste Massen enorme Energien in Form einer Explosion freisetzen können.

Eine einfache Formel für viele Phänomene

E=mc² ist letztlich nur eine direkte Folgerung aus der Speziellen Relativitätstheorie mit der Vorgabe, dass jede Energie erhalten bleibt und dass nichts auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann. Ein Raumschiff würde bei dem Versuch schneller zu werden, immer mehr an Masse gewinnen, bis irgendwann sämtliche Schubenergie nur noch in Masse umgewandelt wird.

Neben der Speziellen Relativitätstheorie plus Nachtrag veröffentlichte Einstein noch drei weitere Arbeiten im selben Jahr, seinem Wunderjahr 1905. Für sein nächstes Werk musste er jedoch deutlich mehr Aufwand betreiben.

Das Loch in Theorie Nr. 1

  • Jongleur mit Bällen. Fallen die Bälle auf die Erde oder andersherum?; Rechte: dpa
  • Satellit kreist über der Erde Beim Absturz des Satelliten würde die Bahn verzerrt aussehen; Rechte dpa

Für seine nächste Arbeit arbeitete er mehrere Jahre an den mathematischen Grundlagen, die sie erforderte. Und dabei hatte er nie besonders viel von der Mathematik gehalten. Aber ihm war klar, dass in der Speziellen Relativitätstheorie eine Lücke klaffte. Nicht umsonst heißt sie ‚speziell’, denn sie gilt nur für nicht beschleunigte Systeme. Wenn man es genau nimmt, also für kein einziges Objekt in unserem Universum.

Das Problem zeigt sich in einem Gedankenexperiment. Wie bei den Myonen müsste man auch bei Jonglierbällen, die ein Jongleur benutzt, die Sicht der Bälle einnehmen können. Demnach würde die Erdoberfläche auf sie zufallen und nicht andersherum. Nun aber angenommen, ein Jongleur lässt seine Bälle in Südamerika fallen, ein anderer auf dem Nordpol und ein dritter in Australien. Plötzlich funktioniert der Blickwinkel der Bälle nicht mehr. Schließlich kann die Erde nicht in alle Richtungen springen. Der Störenfried hierbei ist die Schwerkraft.

Die Zeit wird krumm

1915 hat Einstein mit der allgemeinen Relativitätstheorie endlich die Lösung gefunden: Die Schwerkraft musste eine Krümmung der Raumzeit sein. Die Satelliten kreisen nicht um unsere Erde, weil die sie anzieht, sondern weil die Erdmasse die Raumzeit um sich herum krümmt. Dasselbe gilt, wenn man einen Satelliten abbremst und er auf die Erde stürzt. Er versucht in beiden Fällen nur, sich möglichst gerade durch die Raumzeit zu bewegen. Da die aber verzerrt ist, scheint seine Bahn verbogen.

Ruhm und eine vertane Chance

  • Bei einer Sonnenfinsternis bestätigte sich die allgemeine Relativitätstheorie. Entgegen mancher Vermutungen hat der leitende Astronom die Messdaten nicht vor lauter Begeisterung für die Theorie manipuliert. Sonnenfinsternis; Rechte: dpa
  • Das Hubble Ultra Deep Field zeigt weit entfernte Galaxien. Je weiter sie weg sind, desto schneller bewegen sie sich fort. Bild des Hubble-Teleskops im sichtbaren Licht; Rechte: dpa

Vier Jahre später bei einer Sonnenfinsternis wurde eine Vorhersage der Relativitätstheorie bewiesen: eine bestimmte Ablenkung von Sternenlicht durch die Sonnenmasse. Die Berichterstattung über das Ereignis ließ Einstein zum Medienstar aufsteigen. In einem Brief schrieb er: „Gegenwärtig debattiert jeder Kutscher und jeder Kellner, ob die Relativitätstheorie richtig sei. Die Überzeugung wird hierbei bestimmt durch die Zugehörigkeit zu einer politischen Partei.“ Seine Theorie polarisierte und zog auch harte Kritik und die Missgunst anderer Wissenschaftler auf sich.

Das Universum als konstantes System?

Kein Wunder, schließlich hat Einstein in nur zehn Jahren die ganze damalige Physik auf den Kopf gestellt. Und beinahe könnte er noch eine weitere Entdeckung seine nennen. In seinen Gleichungen zur Krümmung der Raumzeit steckte nämlich noch mehr. Sie besagten, dass sich das Universum entweder zusammenziehen oder ausdehnen muss. Denn die viele Materie im All krümmt den Raum so, dass sich Körper aufeinander zu bewegen. Doch Einstein konnte sich nicht von der Idee eines ewigen Alls verabschieden und führte eine Konstante ein, die die Anziehung ausglich.

Wenige Jahre später zeigten Bilder von weit entfernten Galaxien, dass diese sich umso schneller von uns entfernen, je weiter sie weg sind, woraufhin die Idee der Ausdehnung des Universums aufkam. Und Einstein nannte seine Hilfskonstante die größte Eselei seines Lebens. Doch heute ist klar, dass er nicht völlig unrecht hatte. Große Theorien brauchen eben ein bisschen Zeit.