100 Jahre E=mc²: Als Raum und Zeit eins wurden

Heute vor 100 Jahren, am 25. November 1915, präsentierte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie an der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin. Mit dieser revolutionären Theorie krempelte er nicht nur die physikalische Welt um, er erklärte mit seinen Berechnungen auch einige Rätsel, die die Wissenschaft bis dahin nicht zu deuten gewusst hatte.

Plötzlich waren Raum und Zeit keine voneinander unabhängigen Phänomene mehr, sondern traten unter dem physikalischen Ehegelübde in eine enge Verbindung, die sich durch Materie dynamisch verformen konnte. Einstein ließ uns mit Hilfe des Gravitationslinseneffekts noch tiefer ins Weltall blicken, prophezeite Schwarze Löcher und die Gravitationswellen. Mit diesen bahnbrechenden Erkenntnissen legte er die Grundlagen für viele Bereiche der heutigen Astrophysik.

Doch auch nach 100 Jahren bleiben einige Aspekte der Relativitätstheorie rätselhaft und sind noch immer nicht nachgewiesen. Während beispielsweise die Raumzeitkrümmung, der Gravitationslinseneffekt oder die Rotverschiebung bereits in verschiedenen Studien nachvollzogen werden konnten, warten wir immer noch auf die letzten Beweise einiger geheimnisvoller Vorhersagen.

Eine Gravitationswelle ist eine Störung in der Raumzeit. Wellenartig durchquert sie dabei den Raum mit Lichtgeschwindigkeit und staucht oder streckt bestimmte Abstände auf ihrem Weg durch das Universum. In der Science Fiction werden auf diese Weise gerne Verschiebungen in der Raumzeit initiiert, doch nachgewiesen wurden diese Phänomene bis heute nicht, obwohl ihre Entdeckung eine wichtige Lücke in der Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie schließen könnte. Auch Einstein selbst zweifelte daran, dass wir diese Raum-Zeit-Störungen jemals wirklich beobachten könnten.

Als Auslöser für solche „Verwirbelungen" könnte die Beschleunigung von Materie in der Raumzeit dienen: Etwa eine Supernova, die Entstehung eines Neutronensterns oder auch zwei Sterne oder Schwarze Löcher, die umeinander kreisen. Dabei würden ebenfalls ziemliche Wellen entstehen. Diese enormen ausgesandten Kräfte würden dann die Raumzeit in Schwingung versetzen und sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, so dass wir sie auch in einer fernen Ecke des Alls noch erleben würden. Man denke an einen ruhigen Wasserspiegel, in den ein Stein geworfen wird.

Auch der Urknall hat möglicherweise ein solches Echo hervorgerufen und klingt noch immer in schwachen Gravitationswellen nach. Die Entdeckung der Wellen könnte uns völlig neue Möglichkeiten in der Erforschung des Makrokosmos liefern.

Für den indirekten Nachweis, der die in der Relativitätstheorie berechneten Werte in einem Doppelsternsystem belegte, wurde 1993 bereits ein Nobelpreis verliehen. Doch auf den direkten Beweis—bei dem sich die Verschiebungen in der Raumzeit wie die Wellenringe in einem See plötzlich offenbaren—hoffen die Wissenschaftler jedes Jahr erneut.

Am 2. Dezember soll nun der Satellit LISA Pathfinder mit der Mission in den Orbit geschickt werden, diese Gravitationswellen endlich aufzuspüren.

Schwarze Löcher sind so massereich und finster, dass sie alles in sich aufsaugen. Dazu gehört auch jegliches Fünkchen Licht, was zu ihrer völligen Unsichtbarkeit führt. Diese Voraussetzungen sind denkbar schwierig, ihre Existenz praktisch zu beweisen, was bisher auch noch nicht in vollem Umfang geschehen ist. Es wird jedoch angenommen, dass sich im Zentrum jeder Galaxie ein Schwarzes Loch finden lässt.

Mit Hilfe der Beobachtung von Sternenbahnen versuchen Physiker unterdessen zu bestätigen, dass Galaxien tatsächlich um ein nicht sichtbares Objekt kreisen: „Inwieweit die Beobachtungen nun ein echter Beweis für die Existenz eines Schwarzen Loches sind oder nur indirekter Natur, führt eher in einen philosophischen Bereich", so der Astrophysiker Jochen Weller von der Universitätssternwarte in München gegenüber Motherboard. „Man müsste nunmal so nah wie möglich an ein Schwarzes Loch herankommen, um zu sehen was passiert, wenn etwas dort hinein fällt."

Allgemein gehen Physiker allerdings schon lange davon aus, dass Schwarze Löcher existieren— wie die Dichtephänomene jedoch physikalisch beschaffen sind, ist noch immer nicht ausreichend belegt und wird sicher noch viele Jahre Forschungsarbeit nach sich ziehen.

Bei den Bestätigungen von Einsteins Relatitivätstheorie tastete sich die Forschung in den vergangenen Jahrzehnten in immer feiner messbare Bereiche vor. Während die Gravitationstheorie sowohl bei Mikromessungen im Zentimeterbereich als auch in Größenordnungen der Milchstraße als bewiesen gilt, wird es im Millimeter-Bereich schon schwieriger: „Diese Größenordnung ist ja heutzutage nicht einmal besonders klein, sondern gehört zum normalen Alltag", so der Physiker Weller, „doch die Gravitation ist eine sehr schwache Kraft." Zwischen zwei Kugeln, die in einem Millimeterabstand nebeneinander liegen, ist sie bisher sogar kaum messbar.

Im Millimeter- bis Submillimeterbereich könnten sich jedoch bisher unbekannte Anomalien der Gravitation auftun. Physiker vermuten, dass sich die von Einstein errechnete Gravitation in diesem Bereich noch einmal ganz anders verhalten könnte. Solche Entdeckungen würden der Relativitätstheorie ein Update verpassen: „Einstein hat Newtons Gravitationstheorie erweitert und wir müssen möglicherweise Einsteins Theorie erweitern", so Weller.

Zum Glück gibt es auch noch Stephen Hawking, der die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik kombinierte und eine bahnbrechende Theorie über strahlende Schwarze Löcher präsentierte. Er postulierte bereits 1975, dass sich am Schwarzschild-Radius (alias Ereignishorizont) von Schwarzen Löchern mittels Quantenfluktuation Teilchen und Anti-Teilchen bilden.

Dieses kurzlebige Doppel entsteht scheinbar aus dem Nichts und gelegentlich fällt eines davon ins das Schwarze Loch hinein, während das andere verschont bleibt. Die Energie dieses entkommenen Teilchens wird dann in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben, welche sich nun physikalisch messen lassen müsste. Auch diese Messung ist aber bisher noch nicht abschließend gelungen—dennoch feierte Hawking der Legende nach seinen 60. Geburtstag mit Tassen, auf denen ein Spruch à la „Schwarze Löcher strahlen" prangte.

Im Gegensatz zu Einsteins Annahme ist ein Schwarzes Loch also möglicherweise doch keine allesfressende Einbahnstraße. Die Quantenfluktuation deutet viel mehr darauf hin, dass sogar Informationen am Ereignishorizont kleben bleiben können.