Allgemeine Relativitätstheorie

Masse sagt dem Raum, wie er sich krümmen soll; der Raum sagt der Masse, wie sie sich bewegen soll.

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Der Beitrag

Im November 1915, nach acht Jahren Sackgassen und einem berühmten Zusammenbruch, veröffentlichte Albert Einstein die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das Ringen hatte mit einem einzigen Bild begonnen — ein Mensch in einem fallenden Aufzug spürt kein Gewicht —, das Einstein überzeugte, dass Gravitation und Beschleunigung lokal nicht unterscheidbar sind, die Eingebung, die er seinen glücklichsten Gedanken nannte. Die Theorie ersetzte Newtons universelle Gravitation — eine Kraft, die augenblicklich auf Distanz wirkt — durch etwas Sonderbareres und Eleganteres: Materie und Energie krümmen die Raumzeit, und was wir Gravitation nennen, ist die Geometrie dieser Krümmung. Fallende Körper folgen geraden Linien durch gekrümmten Raum; Planeten umkreisen, weil die Sonne die Geometrie um sich herum gebogen hat. Masse sagt dem Raum, wie er sich krümmen soll; der Raum sagt der Masse, wie sie sich bewegen soll. Die Theorie wurde 1919 durch eine britische Sonnenfinsternis-Expedition bestätigt und machte Einstein nahezu über Nacht zum berühmtesten Wissenschaftler der Welt.

Im Herzen der Theorie sitzt das Äquivalenzprinzip — in einer abgeschlossenen, frei fallenden Kabine kann kein Experiment Gravitation von Beschleunigung unterscheiden —, und das achtjährige Ringen war die Arbeit, diese Intuition in die Feldgleichungen zu übersetzen. In diesem Bild gibt es keine Kraft, nur die kürzesten Wege durch eine verbogene Geometrie. Die Vorhersagen haben ein Jahrhundert lang standgehalten. Der erste Triumph war rückblickend: Merkurs Periheldrehung, eine winzige Anomalie, die newtonsche Astronomen jahrzehntelang in Verlegenheit gebracht hatte, ergibt sich aus den Gleichungen exakt, und Einstein soll Herzklopfen bekommen haben, als die Zahlen stimmten. Die Sonnenfinsternis von 1919 bestätigte die Lichtablenkung an der Sonne — der Effekt, der heute den Gravitationslinseneffekt trägt —, während die gravitative Zeitdilatation, Uhren, die in stärkerer Gravitation langsamer laufen, in GPS-Satelliten korrigiert wird, die ohne Relativitätstheorie pro Tag um rund 38 Mikrosekunden abwichen und die Navigation binnen Stunden unbrauchbar machten. Schwarze Löcher und Gravitationswellen, beide in den Gleichungen von 1916 angelegt, ließen sich erst ein Jahrhundert später direkt beobachten. Das einzige bekannte Versagen der Theorie liegt bei Singularitäten, wo Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik unverträgliche Antworten geben — das Problem der Quantengravitation ist ein Jahrhundert später ungelöst.

Warum jetztDie moderne Kosmologie ist im Wesentlichen angewandte Allgemeine Relativitätstheorie: die Expansion des Universums, der kosmische Mikrowellenhintergrund, Dunkle Materie, Dunkle Energie, die Inflationsepoche, Geometrie und Schicksal des Universums lassen sich allesamt aus den Feldgleichungen ablesen. Die Physik Schwarzer Löcher ist eine blühende Beobachtungswissenschaft, inzwischen verankert durch ein direktes Bild eines Ereignishorizonts und durch die Bahnen der Sterne, die um das galaktische Zentrum jagen. Die Gravitationswellen-Astronomie öffnete 2015 ein neues Fenster und registriert heute jedes Jahr Dutzende Ereignisse — jedes die Aufzeichnung der schwingenden Raumzeit selbst, wenn ferne Massen zusammenstürzen; ein wachsendes Netz von Detektoren hat die Entdeckung binnen eines einzigen Jahrzehnts zur Routineastronomie gemacht. Selbst die alltägliche Infrastruktur der Navigation rechnet die relativistische Korrektur stillschweigend in jeder Sekunde mit. Das ungelöste Programm der Quantengravitation — Stringtheorie, Schleifenquantengravitation, asymptotische Sicherheit — gehört zu den ehrgeizigsten Vorhaben der zeitgenössischen theoretischen Physik, und eine vereinheitlichte Theorie bleibt der heilige Gral der Disziplin.

Zur VertiefungWalds Space, Time, and Gravity (1992) ist die beste nichttechnische Einführung; Schutz' A First Course in General Relativity (2009) ist der Standard-Text auf Bachelor-Niveau. Für den tiefen Einstieg bleibt Misner, Thorne und Wheelers Gravitation (1973) — das berühmte schwarze Telefonbuch — das Monument des Felds. Kip Thornes Black Holes and Time Warps (1994) erzählt die Beobachtungsgeschichte bis hin zu LIGO. Pais' Biographie Subtle Is the Lord (1982) deckt die Entdeckung selbst ab.