Einsteins Relativitätstheorie: Alles Wichtige in einem Artikel

Einsteins Theorien zur Relativitätstheorie waren revolutionär und von großem Einfluss. Ein Jahrhundert später und noch immer werden Experimente durchgeführt, um sie zu testen.

Einsteins Relativitätstheorie
Einsteins Relativitätstheorie

Albert Einstein (1879 – 1955) ist das, was man einen „bekannten Namen“ nennen könnte, und das aus gutem Grund. Dank der immensen Beiträge, die er im Laufe seines Lebens auf mehreren Gebieten der Wissenschaft leistete, ist der Name Einstein zum Synonym für Genialität geworden.

Das Bild des weißhaarigen Wissenschaftlers mit der schrulligen Attitüde, das ist auch seinetwegen entstanden. Selbst wer sich nicht gut mit Physik, Kosmologie oder Quantenmechanik auskennt, dürfte den Begriff Relativitätstheorie (oder die elegante Gleichung E=mc²) erkennen.

Diese Theorie, die unser Verständnis des Universums revolutioniert hat, ist wohl Einsteins tiefgreifendster und nachhaltigster Beitrag. Und obwohl die Relativitätstheorie schon vor über einem Jahrhundert vorgeschlagen wurde, wird sie bis heute immer noch getestet und verifiziert. Doch zunächst ein wenig Hintergrund…

Was vielleicht weniger bekannt ist, ist die Tatsache, dass Einstein den Begriff Relativitätstheorie nicht geprägt hat. Das Verdienst dafür gebührt Galileo Galilei (1564-1642), der das Konzept (auch bekannt als Galileische Invarianz) vorschlug, um für das heliozentrische Modell des Universums zu argumentieren.

Das Schiff des Galileo

Als Teil seiner Förderung des heliozentrischen Modells argumentierte Galilei, dass die Gesetze der Bewegung in allen Inertialsystemen gleich sind. Dies wurde als Galileische Relativitätstheorie (oder Invarianz) bekannt, die wie folgt zusammengefasst wird:

„[A]lle zwei Beobachter, die sich mit konstanter Geschwindigkeit und Richtung zueinander bewegen, erhalten bei allen mechanischen Experimenten die gleichen Ergebnisse.“

Er beschrieb dieses Prinzip erstmals 1632 in seiner Abhandlung Dialog über die beiden wichtigsten Weltsysteme , die seine Verteidigung des heliozentrischen Modells von Kopernikus war. Zur Veranschaulichung verwendete er das Beispiel eines Schiffes, das mit konstanter Geschwindigkeit auf glattem Wasser fährt.

Für einen Beobachter unterhalb des Decks, so argumentierte Galilei, wäre es nicht klar, ob sich das Schiff bewegte oder stationär war. Wenn die Person auf dem Deck einen Ball auf ihren Fuß fallen lassen würde, würde es außerdem so aussehen, als würde er gerade nach unten fallen (während er sich in Wirklichkeit mit dem Schiff vorwärts bewegen würde, während er fällt).

Dieses Argument war ein Weg, um zu zeigen, wie die Erde durch den Raum bewegt werden könnte (d.h. die Sonne umkreisen), aber Beobachter, die auf ihrer Oberfläche stehen, würden sich dessen nicht sofort bewusst sein.

In ähnlicher Weise soll Galilei auch Experimente mit fallenden Körpern durchgeführt haben, bei denen er Kugeln unterschiedlicher Masse vom schiefen Turm von Pisa fallen ließ.

Während diese Geschichte als apokryph gilt, beobachtete Galileo, dass Objekte mit unterschiedlichen Massen mit der gleichen Geschwindigkeit auf den Boden fallen, wenn sie von einem erhöhten Punkt losgelassen werden.

Dies war im Gegensatz zu den herkömmlichen (aristotelischen) Denken, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt fiel, war abhängig von seiner Masse. Galilei fügte auch hinzu, dass Objekte ihre Geschwindigkeit beibehalten würden, wenn nicht eine äußere Kraft diese Geschwindigkeit behindert.

Diese Beobachtungen inspirierten den britischen Universalgelehrten Isaac Newton, der diese Beobachtungen in einem einzigen System zusammenfasste, das jahrhundertelang eine akzeptierte Konvention bleiben sollte (danach bekannt als Newtonsche Physik).

Newtons Apfel

Im späten 17. Jahrhundert nutzte Sir Isaac Newton (1642 – 1726/27) dieses Prinzip und Galileis Beobachtungen über die Schwerkraft, um seine Drei Gesetze der Bewegung und sein Gesetz der universellen Gravitation zu entwickeln. Die Drei Gesetze besagen, dass:

Newtons drei Gesetze dehnten die Schwerkraft effektiv über die Erde hinaus aus und argumentierten, dass dieselbe Kraft, die bewirkt, dass ein Apfel vom Baum fällt, auch bewirkt, dass der Mond die Erde umkreist und die Planeten die Sonne umkreisen.

Die universelle Gravitation besagt, dass jeder Körper im Universum andere Körper mit einer Kraft anzieht, die direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist.

Mathematisch wird dies als F = G m1m2/r² ausgedrückt, wobei F die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten ist, m1 und m2 die Massen der Objekte sind, r der Abstand zwischen ihnen ist und G die Gravitationskonstante ist.

Diese Theorien enthielten ausnahmslos zwei Schlussfolgerungen über die Natur von Raum und Zeit. Erstens, dass ein Inertialrahmen ein Bezugspunkt zu einem „absoluten Raum“ ist. Zweitens, dass alle Inertialrahmen eine universelle Zeit teilen. Mit anderen Worten, Zeit und Raum sind absolut und getrennt.

Erst im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert geriet die Newtonsche Physik in ernsthafte Schwierigkeiten. Dank zahlreicher Entdeckungen im Bereich der atomaren und subatomaren Physik wurde die Natur von Materie und Energie, Zeit und Raum in Frage gestellt.

Am Ende war es ein theoretischer Physiker, der in der Schweiz lebte (und in einem Patentamt arbeitete), der eine Theorie anbieten sollte, die sich als revolutionär erweisen sollte. Es war kein Geringerer als Albert Einstein, dessen Relativitätstheorie aus zwei Teilen bestand.

Die erste, seine Spezielle Relativitätstheorie, befasste sich mit Elektromagnetismus und dem Verhalten von Licht (in Bezug auf Raum und Zeit). Die zweite, die Allgemeine Relativitätstheorie, befasste sich mit Gravitationsfeldern (in Bezug auf Raum und Zeit).

Spezielle Relativitätstheorie

Im Jahr 1905 erlebte Einstein das, was er sein annus mirabilis („Wunderjahr“) nannte, in dem er mehrere bahnbrechende Arbeiten veröffentlichte, während er am Patentamt in Bern, Schweiz, arbeitete.

Zuvor hatten sich die Wissenschaftler mit den Ungereimtheiten zwischen der Newtonschen Physik und den Gesetzen des Elektromagnetismus (Teil der aufkommenden Quantenmechanik) herumgeschlagen.

Diese wurden durch die Arbeiten der Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879) und Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) geprägt – konkret durch die Maxwellschen Gleichungen und das Lorentzsche Kraftgesetz.

Die Maxwell’schen Gleichungen sind eine Reihe von Differentialgleichungen, die ein mathematisches Modell für das Verhalten von Elektrizität, Magnetismus und verwandten Phänomenen liefern. Im Wesentlichen drücken sie aus, wie sich fluktuierende elektrische und magnetische Felder mit einer konstanten Geschwindigkeit (c) in einem Vakuum ausbreiten.

Die Lorentzkraft hingegen beschreibt die elektromagnetische Kraft auf ein geladenes Teilchen, wenn es sich durch ein elektrisches und magnetisches Feld bewegt. Während diese Forschungsgebiete das Verhalten elektrischer und magnetischer Wellen genau beschrieben, waren sie nicht mit der Newtonschen Physik vereinbar – die damals noch vorherrschend war.

Diese Ungereimtheiten wurden besonders deutlich, wenn es darum ging, wie sich das Licht von einem Punkt zum anderen bewegte. Im 19. Jahrhundert war es den Wissenschaftlern gelungen, die Lichtgeschwindigkeit anhand von Experimenten mit elektromagnetischen Wellen zu berechnen.

Dies führte zu der Erkenntnis, dass Licht in der Tat eine elektromagnetische Welle ist und sich ähnlich verhält. Leider stellte dies eine Reihe von theoretischen Problemen. Wie jede andere Art von Welle (z. B. Schall), würden die Phänomene ein Medium benötigen, um sich auszubreiten.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war es wissenschaftlicher Konsens, dass Licht durch ein sich bewegendes Medium im Raum reist und daher von diesem Medium mitgerissen wird. Um dies zu erklären, postulierten die Wissenschaftler, dass der Raum mit einem geheimnisvollen „leuchtenden Äther“ gefüllt sei.

Kurz gesagt, bedeutete dies, dass die Geschwindigkeit des Lichts – 299.792.458 m/s (300.000 km/s; 186.000 mps) – die Summe seiner Geschwindigkeit durch den Äther plus die Geschwindigkeit dieses Äthers war. Mit anderen Worten, die (gemessene) Lichtgeschwindigkeit war nicht absolut und hing von dem Medium ab, in dem es sich ausbreitete.

Eine Konsequenz daraus war, dass entweder der Äther selbst von bewegter Materie mitgerissen oder mit ihr transportiert werden würde. Leider war dies nicht konsistent mit experimentellen Ergebnissen und stellte zahlreiche theoretische Probleme.

Zum Beispiel wurde beim Fizeau Water Tube Experiment (1851) die Geschwindigkeit des Lichts beim Durchgang durch Wasser gemessen. Wäre die heutige Theorie der Lichtausbreitung korrekt, hätte das Experiment eine deutliche Verringerung der Geschwindigkeit gezeigt.

Und während die Ergebnisse zeigten, dass Licht, das durch ein Medium reist, einem Luftwiderstand unterliegt, war der Effekt nicht annähernd so groß wie erwartet. Andere Experimente produziert hatte ähnliche Ergebnisse, wie Fresnel’s teilweise Äther-Drag-Hypothese und die Experimente von Sir George Stokes.

Dies ließ die Wissenschaftler an ihren Köpfen kratzen. Im Jahr 1905 adressierte Einstein diese Ungereimtheiten mit seiner bahnbrechenden Arbeit “ Zur Elektrodynamik bewegter Körper„.

Darin argumentierte Einstein, dass die Lichtgeschwindigkeit (c) in einem Vakuum konstant ist, unabhängig vom Inertialsystem der Quelle oder des Beobachters. Dies wurde als Einsteins Spezielle Relativitätstheorie bekannt, die oft durch die einfache Gleichung E=mc² zusammengefasst wird (wobei E für Energie, m für Masse und c für die Lichtgeschwindigkeit steht).

Diese Theorie würde Jahrhunderte der wissenschaftlichen Orthodoxie umstürzen und wegen ihrer Einfachheit bahnbrechend sein, und wie sie die Widersprüche zwischen Elektromagnetismus und klassischer Mechanik auflöste.

Zum einen brachte sie die Maxwellschen Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Newtonschen Mechanik in Einklang. Außerdem vereinfachte sie die Mathematik, indem sie auf überflüssige Erklärungen verzichtete und die Existenz eines Äthers unnötig machte.

Einsteins Theorie führte auch die Idee ein, dass bei der Annäherung eines Objekts an die Lichtgeschwindigkeit große Veränderungen in Bezug auf die Raumzeit eintreten. Dazu gehört die Zeitdilatation, bei der sich die Zeitwahrnehmung für den Beobachter verlangsamt, je näher er an c herankommt.

All dies würde dazu dienen, die klassische Mechanik auf den Kopf zu stellen. Während das herkömmliche Denken davon ausging, dass Materie und Energie getrennt sind, schlug Einsteins Theorie im Wesentlichen vor, dass beide Ausdruck derselben Realität sind.

Mit anderen Worten: Man kann sich nicht durch den Raum bewegen, ohne sich auch durch die Zeit zu bewegen.

Allgemeine Relativitätstheorie

Zwischen 1907 und 1915 begann Einstein zu überlegen, wie seine Spezielle Relativitätstheorie auf Gravitationsfelder angewendet werden könnte. Dies war ein weiterer Stolperstein für moderne Wissenschaftler, die zu bemerken begannen, dass Newtons Gesetz der universellen Gravitation Grenzen hatte.

Auch hier wurden dank der Durchbrüche auf dem Gebiet des Elektromagnetismus Ungereimtheiten festgestellt. Zum Beispiel veröffentlichte James Clerk Maxwell 1865 sein Hauptwerk “ Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes„.

Am Ende dieses Papiers, machte er die folgenden Kommentare über Gravitation:

Allerdings erkannte Maxwell, dass dies ein Paradoxon aufgeworfen. Grundsätzlich würde die Anziehung ähnlicher Körper bedeuten, dass die Energie des umgebenden Mediums in Gegenwart dieser Medien abnehmen würde. Ohne eine Ursache für die Gravitation zu finden, gab Maxwell zu, dass er nicht in der Lage war, dies zu lösen.

In den Jahren 1900 und 1905 stellten Lorentz und der Mathematiker Henri Poincaré die Theorie auf, dass die Gravitation mit der Ausbreitung des Lichts zusammenhängen könnte, was dem entsprach, was Einstein schließlich mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie argumentieren würde.

Im Jahr 1907 veröffentlichte Einstein den ersten einer Reihe von Artikeln, die versuchen sollten, diese Fragen zu klären. Unter dem Titel “ Über das Relativitätsprinzip und die daraus gezogenen Folgerungen“ befasste sich Einstein damit, wie die Regel der Speziellen Relativitätstheorie auch für die Beschleunigung gelten könnte.

In dieser Arbeit schlug Einstein das Äquivalenzprinzip vor, das besagt, dass die Gravitationsmasse mit der Trägheitsmasse identisch ist. Zur Veranschaulichung erklärte er, dass die Beschleunigung von Körpern in Richtung des Erdmittelpunkts mit einer Rate von 1 g (g = 9,81 m/s2) äquivalent zu der Beschleunigung eines träge bewegten Körpers ist, der auf einer Rakete im freien Raum beobachtet werden würde, die mit einer Rate von 1g beschleunigt wird.  Der freie Fall ist also eigentlich Trägheit und der Beobachter erfährt dadurch kein Gravitationsfeld.

In dieser Hinsicht argumentierte Einstein, dass Raum und Zeit – von denen die klassische Physik ebenfalls behauptete, sie seien getrennt – zwei Ausdrücke ein und derselben Sache seien.

Mit 1911, Einstein erweitert auf seine 1907 Papier mit einem neuen Papier mit dem Titel „Über den Einfluss der Gravitation auf die Ausbreitung des Lichts“. Darin sagte er voraus, dass ein Objekt, das sich von einer Gravitationsquelle weg beschleunigt, die Zeit schneller erleben würde als ein Objekt, das in einem unveränderlichen Gravitationsfeld stillsitzt.

Dieses Phänomen ist als gravitative Zeitdilatation bekannt, bei der sich die Zeitwahrnehmung in Abhängigkeit von der Entfernung des Beobachters von einer gravitativen Masse oder der Position innerhalb eines Gravitationsfeldes unterscheidet.

Im selben Artikel sagte er die Beugung des Lichts in einem Gravitationsfeld und die gravitative Rotverschiebung (auch bekannt als Doppler-Verschiebung) voraus. Ersteres ist eine Folge des Äquivalenzprinzips, bei dem der Durchgang von Licht durch die Krümmung der Raumzeit beeinflusst wird und seine Ablenkung von der Masse des beteiligten Körpers abhängig ist.

Letzteres betrifft das Licht, das einen massiven Körper (wie einen fernen Stern oder eine Galaxie) verlässt und dann zum roten Ende des Spektrums hin verschoben wird, weil es Energie verliert, um Gravitationsfeldern zu entkommen (mehr dazu weiter unten).

Diese Argumente waren besonders einflussreich, weil sie (im Gegensatz zu dem, was Einstein im Jahr 1907 argumentierte) durch astronomische Beobachtungen verifiziert werden konnten. Einstein schrieb in den kommenden Jahren noch mehrere Arbeiten, in denen er seine Gravitationstheorien weiter ausbaute, und 1915 begannen sie, akzeptiert zu werden.

Seit dieser Zeit wurde die Allgemeine Relativitätstheorie durch mehrere Experimente bestätigt und wurde zu einem zentralen Element der modernen Astrophysik. Sie würde eine Rolle bei der Entwicklung der Theorien über schwarze Löcher, kosmische Expansion, dunkle Energie und andere Aspekte der modernen Kosmologie spielen.

Wie wurde die Relativitätstheorie getestet (und bestätigt)?

Kurze Antwort: Neun Wege vom Sonntag!

Sowohl die Spezielle Relativitätstheorie (SR) als auch die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) wurden im Laufe des letzten Jahrhunderts wiederholt getestet und immer wieder bestätigt.

Tatsächlich gab es schon vor Einsteins Theorie der SR eine experimentelle Grundlage dafür (was ihn letztendlich dazu brachte, seine Theorie zu entwickeln). Darüber hinaus dauerte es nicht lange, bis Wissenschaftler seine Theorien übernahmen, um weitere Durchbrüche zu erzielen.

Aber es war wirklich nur in den Jahrzehnten seit der Relativitätstheorie vorgeschlagen wurde, dass Einsteins Theorien so gründlich überprüft und getestet wurden. In der Tat, viel von dem, was Astronomen über unser Universum gelernt haben, seit Einstein vorgeschlagen SR und GR haben seine Theorien verstärkt.

Perihelpräzession des Merkurs

Zunächst einmal löste GR ein Problem, das Astronomen seit 1859 zu lösen versucht hatten, nämlich die merkwürdige Natur der Merkurbahn. Jahrhundertelang verließen sich die Astronomen auf die Newtonsche Mechanik, um die Umlaufbahn des Merkurs um die Sonne zu berechnen.

Während diese Mechanik die Exzentrizität der Planetenbahn erklären konnte, konnte sie nicht erklären, warum sich der Punkt, an dem Merkur das Perihel (den weitesten Punkt seiner Bahn) erreichte, mit der Zeit um die Sonne verschob.

Dieses Problem wurde als „Präzession des Perihels“ des Merkurs bezeichnet, was nach der klassischen Physik keinen Sinn machte, da nach Newton der Punkt des Perihels in jedem Zweikörpersystem fest war.

Eine Reihe von Lösungen wurden vorgeschlagen, aber sie neigten dazu, mehr Probleme einzuführen als sie zu lösen. Allerdings stimmte Einsteins GR-Theorie – bei der die Gravitation durch die Krümmung der Raumzeit vermittelt wird – mit dem beobachteten Ausmaß der Periheldrehung überein.

Das war eine der ersten, aber sicher nicht die letzte Vorhersage von Einstein, die sich bewahrheiten würde. Hier sind noch ein paar mehr…

Schwarze Löcher und Gravitationswellen

Eine der Vorhersagen von GR ist, dass eine hinreichend kompakte Masse die Raumzeit so weit deformieren könnte, dass innerhalb ihrer äußeren Begrenzung (auch bekannt als Ereignishorizont) die Zeit aufhört und die physikalischen Gesetze nicht mehr voneinander zu unterscheiden sind.

Eine Folge davon ist, dass die Gravitationskraft tatsächlich die Lichtgeschwindigkeit übersteigen würde, was diese kompakte Masse zum idealen „Schwarzen Körper“ macht – was bedeutet, dass ihm keine elektromagnetische Strahlung (einschließlich Licht) entkommen könnte.

Während Wissenschaftler schon vorher über solche Massen theoretisiert hatten, war Karl Schwarzschild der erste, der die Existenz von „Schwarzen Löchern“ als Lösung der GR vorschlug. Im Jahr 1916 berechnete er den Radius, den eine Masse erreichen müsste, um ein Schwarzes Loch zu werden (danach bekannt als der Schwarzschild-Radius).

Für Jahrzehnte blieben Schwarze Löcher eine wissenschaftliche Kuriosität. Aber in den 1960er Jahren, die oft als das „Goldene Zeitalter der Allgemeinen Relativitätstheorie“ bezeichnet werden, begann die Erforschung der GR und kosmologischer Phänomene, den Einfluss von Schwarzen Löchern zu demonstrieren.

In den 1970er Jahren entdeckten Astronomen, dass eine Radioquelle im Zentrum der Milchstraße (Sagittarius A*) ebenfalls eine helle und sehr kompakte Komponente aufwies. Zusammen mit späteren Beobachtungen der Umgebung führte dies zu der Theorie, dass Sag A* tatsächlich ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) ist.

Seitdem haben Astronomen beobachtet, dass die meisten massereichen Galaxien ähnlich aktive Kerne haben, die sie hell im Radio-, Infrarot-, Röntgen- und Gammastrahlenbereich leuchten lassen. Bei einigen hat man sogar Jets aus überhitztem Material gefunden, die aus ihren Kernen kommen und sich über Millionen von Lichtjahren erstrecken.

Im Jahr 2016 gaben Wissenschaftler des Laser Interferometer Gravitational wave Observatory (LIGO) bekannt, dass sie erstmals Gravitationswellen nachgewiesen haben. Ursprünglich von der GR vorhergesagt, handelt es sich bei diesem Phänomen im Wesentlichen um Wellen in der Raumzeit, die durch kataklysmische Ereignisse verursacht werden.

Dazu gehören Ereignisse wie binäre Schwarze Löcher oder Neutronensternverschmelzungen, Schwarze Löcher, die mit Neutronensternen verschmelzen, oder Kollisionen zwischen anderen kompakten Objekten. Seit 2016 wurden mehrere Gravitationswellenereignisse nachgewiesen.

Am 10. April 2019 verkündete das wissenschaftliche Gemeinschaftsprojekt, bekannt als The Event Horizon Telescope (EHT), das allererste direkte Bild des Ereignishorizonts, der eine SMBH umgibt – im Kern von Messier 87.

Kosmologische Konstante und dunkle Energie

Eine weitere Folge der Feldgleichungen für die Relativitätstheorie war, dass das Universum entweder in einem Zustand der Expansion oder in einem Zustand der Kontraktion sein musste. Seltsamerweise passte dies nicht zu Einstein, der es vorzog, zu glauben, das Universum sei statisch und stabil.

Um dem entgegenzuwirken, ersann Einstein eine Kraft, die die Schwerkraft „zurückhält“ und damit sicherstellt, dass das Universum nicht in sich selbst kollabiert. Er nannte diese Kraft die „kosmologische Konstante“, die wissenschaftlich durch die Figur Lamba (Λ) dargestellt wurde.

Doch 1929 löste der amerikanische Astronom Edwin Hubble das Problem dank seiner Entdeckung von benachbarten Galaxien. Nachdem er ihre Rotverschiebung gemessen hatte, entdeckte er, dass sich die Mehrheit der Galaxien im Universum von unserer eigenen wegbewegte.

Kurz gesagt, das Universum befand sich in einem Expansionszustand, dessen Geschwindigkeit als Hubble-Konstante bekannt wurde. Einstein nahm die Entdeckung gnädig an und behauptete, die kosmologische Konstante sei „der größte Fehler“ seiner Karriere gewesen.

In den 1990er Jahren waren die Astronomen jedoch in der Lage, Beobachtungen durchzuführen, die immer weiter hinaus in den Kosmos (und folglich auch weiter zurück in die Vergangenheit) blickten. Diese Beobachtungen schienen zu zeigen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnte, tatsächlich zunahm.

Nach der aktuellen Theorie wurde das Universum von der frühesten beobachtbaren Periode des Universums (ca. eine Milliarde Jahre nach dem Urknall) bis etwa zehn Milliarden Jahre nach dem Urknall von der Schwerkraft dominiert und expandierte langsamer.

Doch ab vier Milliarden Jahren waren die großräumigen Strukturen im Universum weit genug auseinander, dass die dunkle Energie zur dominierenden Kraft wurde und alles begann, sich schneller auseinander zu bewegen. Einsteins mysteriöse Kraft, die „die Schwerkraft zurückhielt“, war gefunden!

Experimentelle Beweise für die Relativitätstheorie

Seit 1905 wurden Hunderte von Experimenten von unglaublicher Reichweite und Vielfalt durchgeführt, die SR bestätigt haben. Dazu gehörten mehrere Experimente, die bestätigten, dass Licht isotrop ist (d.h. die gleichen Eigenschaften hat, wenn es in jeder Richtung gemessen wird).

Dazu gehört das Michelson-Morley-Experiment (MMX) aus dem Jahr 1887, bei dem die Geschwindigkeit des Lichts in senkrechten Richtungen mit Hilfe eines Interferometers gemessen werden sollte – ein Gerät, bei dem zwei Lichtquellen zu einem Interferenzmuster zusammengeführt werden.

Damit sollte die Relativbewegung der Materie (in diesem Fall der Erde) durch den „leuchtenden Äther“ nachgewiesen werden. Das Experiment war ein Fehlschlag, da es zeigte, dass es keinen signifikanten Unterschied zwischen der Lichtgeschwindigkeit in Richtung der Erdumlaufbahn und der Lichtgeschwindigkeit im rechten Winkel gab.

Ähnliche Experimente wurden im Laufe des frühen 20. Jahrhunderts mit verschiedenen Apparaten und Instrumenten mit zunehmender Empfindlichkeit durchgeführt, aber alle ergaben das gleiche (Null-)Ergebnis.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden Experimente mit Lasern durchgeführt, um die Isotropie des Lichts zu messen. Diese Experimente beinhalteten die Messung der Einweg- und Umlaufgeschwindigkeit des Lichts und verwendeten sowohl stationäre als auch bewegte Objekte.

Auch diese Experimente ergaben null Ergebnisse, was mit der SR konsistent ist. Verglichen mit Experimenten, die das Vorhandensein oder den Einfluss eines „Äthers“ nicht bestätigen konnten, bleibt Einsteins Lösung bis heute die eleganteste und umfassendste.

Im Hinblick auf die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) wurden umfangreiche Beobachtungskampagnen durchgeführt, die ihre vorhergesagten Effekte bei der Arbeit zeigen. Zum Beispiel zeigte 2017 ein Team europäischer Astronomen, wie zwanzig Jahre der Beobachtung von Sagittarius A* – dem supermassiven Schwarzen Loch (SMBH) im Zentrum unserer Galaxie – die Vorhersagen von Einstein und GR bestätigten.

Mithilfe von Daten des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile und anderer Teleskope beobachteten sie drei Sterne, die Sagittarius A* umkreisen, und notierten dessen Einfluss auf ihre Exzentrizität.

Sie fanden heraus, dass einer der Sterne (S2) eine besonders elliptische Umlaufbahn um das SMBH hat, für die er 15,6 Jahre benötigt. An seinem engsten Punkt kommt er bis auf das 120-fache der Entfernung zwischen Sonne und Erde (120 AE). Diese Abweichungen in der Umlaufbahn waren mit GR konsistent.

Gravitationslinseneffekt und Rotverschiebung

Kurz nachdem Einstein seine Theorie darüber, wie sich die Raumzeit in Gegenwart eines Gravitationsfeldes verhält, vorgeschlagen hatte, ergab sich eine Gelegenheit, diese zu testen. Im Jahr 1919 wussten die Astronomen, dass am 29. Mai eine totale Sonnenfinsternis stattfinden würde, was eine Gelegenheit bot.

Einstein und der deutsche Astronom Erwin Finlay-Freundlich forderten Wissenschaftler aus aller Welt auf, die GR zu testen, indem sie die Ablenkung des Lichts während dieses Ereignisses messen.

Sir Arthur Eddington, ein britischer Astronom und Wissenschaftskommunikator, der es verstand, Konzepte wie die Relativitätstheorie zu erklären, nahm die Herausforderung an und unternahm eine Expedition zur Insel Principe (vor der Küste von Äquatorialguinea, Afrika).

Während der Sonnenfinsternis wurden die Strahlen der Sonne durch die Anwesenheit des Mondes verdunkelt, wodurch die Sterne um ihn herum sichtbar wurden. Eddington nahm Bilder von diesen Sternen auf und bestätigte, dass die Bahn ihres Lichts durch den Gravitationseinfluss der Sonne verschoben war.

Am 7. November 1919 veröffentlichte die „Times“ die Ergebnisse seiner Kampagne unter der Überschrift: “ Revolution in Science – New Theory of the Universe – Newtonian Ideas Overthrowed„.

Dieser Effekt, bei dem der Durchgang von Licht durch ein großes Objekt beeinflusst wird, führte zu der Methode, die als „Gravitationslinsen“ bekannt ist. Dabei wird die Anwesenheit eines großen Himmelsobjekts (Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen, Schwarze Löcher usw.) ausgenutzt, um Objekte jenseits dieser Objekte zu beobachten.

Tatsächlich haben Astronomen herausgefunden, dass bei einer nahezu perfekten Ausrichtung zwischen einer Lichtquelle, einer Gravitationslinse und einem Beobachter, das Licht zu einem Ring verformt wird – was nun als „Einstein-Ring“ bezeichnet wird.

Doppelter Einstein-Ring
Doppelter Einstein-Ring

Dieser Effekt wurde regelmäßig von Astronomen beobachtet, insbesondere durch den Einsatz von Weltraumteleskopen wie Hubble. Ein gutes Beispiel dafür fand 2018 statt, als ein Team von internationalen Wissenschaftlern einen Galaxienhaufen nutzte, um den am weitesten entfernten einzelnen Stern zu betrachten, der jemals beobachtet wurde (namens Icarus, 9 Milliarden Lichtjahre entfernt gelegen).

Eine weitere Beweislinie, die die Allgemeine Relativitätstheorie bestätigt, ist die Art und Weise, wie die elektromagnetische Strahlung durch die Anwesenheit eines Gravitationsfeldes gestreckt wird.  Dies ist das bereits erwähnte Phänomen, das als „Rotverschiebung“ bekannt ist, bei dem der Einfluss eines Gravitationsfeldes dazu führt, dass die Wellenlänge des Lichts länger wird.

Mit anderen Worten: Licht, das von einem entfernten Himmelsobjekt (einem Stern, einer Galaxie oder einem Galaxienhaufen) ausgeht, wird zum roten Ende des Spektrums hin verschoben. Das Ausmaß der Rotverschiebung wird dann verwendet, um zu berechnen, wie massiv das darauf einwirkende Gravitationsfeld ist.

Die Rotverschiebung wird auch häufig verwendet, um die Expansionsrate des Universums zu messen, da das Licht von weit entfernten Galaxien durch den dazwischenliegenden Raum zwischen der Lichtquelle und dem Beobachter gedehnt wird.

Sie wurde aber auch als Methode zur Überprüfung der GR verwendet; insbesondere bei der Beobachtung, wie sich Licht in Gegenwart eines Schwarzen Lochs verhält. Ein gutes Beispiel dafür waren auch Beobachtungen eines Sterns, der Sagittarius A* umkreist.

Das verantwortliche Team bestand aus Mitgliedern der GRAVITY-Kollaboration, die das VLT nutzten, um S2 zu beobachten, als er vor dem Schwarzen Loch vorbeizog – was im Mai 2018 geschah. Am engsten Punkt seiner Umlaufbahn befand sich der Stern innerhalb von 20 Milliarden Kilometern Entfernung vom SMBH und bewegte sich mit fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

In Übereinstimmung mit der GR beobachtete das Team eine gravitative Rotverschiebung, die sich verstärkte, je näher S2 an Sagittarius A* kam. Das sehr starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs dehnte die Wellenlänge des Sternlichts und bewirkte, dass es sich zum roten Ende des Spektrums hin verschob.

Als Einstein seine Karriere als theoretischer Physiker begann, betrat er eine Welt, die am Rande einer Revolution stand. Die alten Konventionen wurden aufgrund von Unstimmigkeiten mit neuen Entdeckungen in Frage gestellt, die alle Arten von Problemen aufwarfen.

Als er verstarb, hinterließ Einstein ein Vermächtnis, das in der Geschichte der Wissenschaft kaum zu übertreffen ist. Er bot eine Synthese aus alten und neuen Theorien und schuf ein neues Verständnis dafür, wie Raum-Zeit, Materie und Energie zusammenwirken.

Darüber hinaus leistete er Pionierarbeit für Durchbrüche, die zu vielen weiteren Revolutionen in der Wissenschaft führen sollten. Heute, mehr als hundert Jahre später, haben seine Theorien immer noch Bestand und tragen zu unserem Verständnis des Universums bei.