Essay: Newton vs. Einstein vs. die nächste Welle

Ein Apfel ist Sir Isaac Newton im Jahr 1665 wahrscheinlich nicht wirklich auf den Kopf gefallen und hat die Erleuchtung über die Natur fallender Körper ausgelöst. Und wenn du schon dabei bist, vergiss, was du in der Schule über Schwerkraft gelernt hast. So funktioniert sie nicht wirklich. Aber nehmen Sie uns nicht beim Wort. Lassen Sie die Hauptkonkurrenten in der Geschichte der Gravitationstheorie selbst gegeneinander antreten.

Runde 1: Newton

„Die Gravitation existiert wirklich“, erklärte Newton 1687. „Sie wirkt nach den Gesetzen, die wir erklärt haben, und dient in reichem Maße dazu, alle Bewegungen der Himmelskörper zu erklären.“ Vor Newton hatte niemand etwas von der Schwerkraft gehört, geschweige denn von dem Konzept eines universellen Gesetzes.

Newton konnte die Schwerkraft beschreiben, aber er wusste nicht, wie sie funktioniert.

Die Universität Cambridge, an der Newton studierte, wurde 1665 wegen der Pest geschlossen. Der 23-Jährige fand Zuflucht in seinem Elternhaus und stürzte sich monatelang in fieberhafte mathematische Grübeleien. Dies und ein dubioser Apfelabstieg im hinteren Obstgarten legten den Grundstein für sein Meisterwerk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. In der Principia beschrieb Newton die Schwerkraft als eine allgegenwärtige Kraft, die von allen Objekten auf benachbarte Objekte ausgeübt wird. Je mehr Masse ein Objekt hat, desto stärker ist seine Anziehungskraft. Je größer der Abstand zwischen zwei Objekten ist, desto geringer ist die Anziehungskraft.

Die mathematischen Erklärungen dieser Beziehungen in Principia waren einfach und äußerst praktisch. Mit seinen Gleichungen konnte Newton zum ersten Mal erklären, warum der Mond auf seiner Umlaufbahn um die Erde bleibt. Bis heute verwenden wir Newtons Mathematik, um die Flugbahn eines Softballwurfs oder die Landung von Astronauten auf dem Mond vorherzusagen. Tatsächlich lassen sich alle alltäglichen Beobachtungen der Schwerkraft auf der Erde und am Himmel ziemlich genau mit der Newtonschen Theorie erklären.

Okay, wir glauben ihr. Aber wie funktioniert sie?

Hallo?

Stille aus Newtons Ecke des Rings.

Die Wahrheit ist, dass Newton die Schwerkraft beschreiben konnte, aber er wusste nicht, wie sie funktioniert. „Die Schwerkraft muss durch ein Mittel verursacht werden, das ständig nach bestimmten Gesetzen wirkt“, gab er zu. „Aber ob dieses Mittel materiell oder immateriell ist, überlasse ich den Überlegungen meiner Leser.“

300 Jahre lang machte sich niemand wirklich Gedanken darüber, was dieses Mittel sein könnte. Vielleicht waren mögliche Anwärter von Newtons Genialität eingeschüchtert. Der Mann hat die Infinitesimalrechnung erfunden, um Himmels willen.

Ding. Runde 2: Einstein

Anscheinend war Albert Einstein nicht eingeschüchtert. Er entschuldigte sich sogar. „Newton, verzeih mir“, schrieb er in seinen Memoiren. „Du hast den einzigen Weg gefunden, der in deinem Zeitalter für einen Mann von höchster Denk- und Schaffenskraft gerade noch möglich war.“

Albert Einstein im Schweizer Patentamt in Bern.
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem

Im Jahr 1915, nach acht Jahren des Sortierens seiner Gedanken, hatte sich Einstein (buchstäblich – er hatte keine experimentellen Vorläufer) ein Mittel ausgedacht, das die Schwerkraft verursachte. Und es war nicht einfach eine Kraft. Seiner Allgemeinen Relativitätstheorie zufolge ist die Schwerkraft noch viel seltsamer: eine natürliche Folge des Einflusses einer Masse auf den Raum.

Einstein stimmte mit Newton darin überein, dass der Raum Dimensionen hat: Breite, Länge und Höhe. Der Raum könnte mit Materie gefüllt sein, oder auch nicht. Aber Newton glaubte nicht, dass der Raum von den Objekten in ihm beeinflusst wird. Einstein schon. Er stellte die Theorie auf, dass eine Masse den Raum stark beeinflussen kann. Sie kann ihn verzerren, krümmen, drücken oder ziehen. Die Schwerkraft war nur ein natürliches Ergebnis der Existenz einer Masse im Raum (Einstein hatte mit seiner Speziellen Relativitätstheorie von 1905 die Zeit als vierte Dimension zum Raum hinzugefügt und nannte das Ergebnis Raumzeit. Große Massen können auch die Zeit verzerren, indem sie sie beschleunigen oder verlangsamen).

Nach Einstein ist die Gravitation eines Objekts eine Krümmung des Raums.

Man kann sich Einsteins Schwerkraftkrümmung vorstellen, indem man auf ein Trampolin tritt. Deine Masse verursacht eine Vertiefung im dehnbaren Gewebe des Raums. Wenn du einen Ball an der Verwerfung an deinen Füßen vorbei rollst, wird er sich in Richtung deiner Masse bewegen. Je schwerer du bist, desto mehr krümmst du den Raum. Schauen Sie sich die Ränder des Trampolins an – die Verformung wird geringer, je weiter Sie sich von Ihrer Masse entfernen. Auf diese Weise werden dieselben Newton’schen Beziehungen erklärt (und mathematisch genauer vorhergesagt), jedoch durch eine andere Linse des gekrümmten Raums. Nimm das, Newton, sagt Einstein. Mit Bedauern.

Einsteins Theorie schlug auch triumphierend ein Loch in Newtons Logik. Wenn die Schwerkraft, wie Newton behauptete, eine konstante, augenblickliche Kraft war, musste die Information über eine plötzliche Änderung der Masse irgendwie im gesamten Universum auf einmal übermittelt werden. Für Einstein machte dies wenig Sinn. Wenn die Sonne plötzlich verschwindet, müsste das Signal für die Planeten, ihre Umlaufbahn zu beenden, logischerweise eine gewisse Zeit brauchen. Und es würde auf jeden Fall länger dauern, den Pluto zu erreichen als den Mars. Daran ist überhaupt nichts Allgemeingültiges.

Was schlug Einstein als fehlendes Mittel der Kommunikation vor? Hier kommt wieder seine sehr nützliche Raumverwerfung ins Spiel. Ähnlich wie ein Stein, der in einen Teich geworfen wird, verursacht eine Veränderung der Masse eine Welle im Raum, die sich von ihrer Quelle mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen ausbreitet. Dabei wird der Raum zusammengedrückt und gedehnt. Wir nennen eine solche Störung eine Gravitationswelle.

Mit diesem letzten Schlag erklärte Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie alles, was die Newtonsche Theorie tat (und einige Dinge, die sie nicht tat), und zwar besser. „Ich bin völlig zufrieden“, sagte Einstein 1919. „Ich zweifle nicht mehr an der Richtigkeit des ganzen Systems.“

In dieser Runde: Sieg für Einstein.

Ding. Runde 3: Die nächste Welle

Einstein mag Gravitationswellen vorhergesagt haben, aber er glaubte kaum, dass die Wissenschaftler sie jemals entdecken würden. Gravitationswellen quetschen und dehnen den Raum nur geringfügig. Tatsächlich ist sie lächerlich, schrecklich, fast unmöglich klein: eine Entfernung, die Hunderte von Millionen Mal kleiner ist als die eines Atoms.

Bislang hatte Einstein recht. Es ist acht Jahrzehnte her, dass er die Allgemeine Relativitätstheorie eingeführt hat, und eine Gravitationswelle wurde noch nicht entdeckt. Erst im Jahr 1974 kamen die Wissenschaftler ihm nahe. In jenem Jahr untersuchten zwei Radioastronomen, Joseph Taylor und Russell Hulse, ein Paar Neutronensterne (superdichte kollabierte Sterne), die einander umkreisen. Hulse und Taylor stellten fest, dass sich die Umlaufbahnen mit einer Geschwindigkeit beschleunigten, die Einstein für den Fall vorausgesagt hatte, dass tatsächlich Gravitationswellen von dem System erzeugt würden. Der erste indirekte Beweis für Gravitationswellen war erbracht, aber die Wellen selbst wurden nicht direkt gemessen.

Obwohl jedes Objekt Gravitationswellen erzeugen kann, erzeugen nur extrem massive Objekte Raumverwerfungen, die groß genug sind, um sie zu messen. Solche gigantischen Massenveränderungen sind nur im Weltraum zu finden, etwa bei kreisenden Neutronensternen, kollidierenden Schwarzen Löchern oder Supernovae. Forscher suchen nun mit einem der präzisesten wissenschaftlichen Instrumente, das je gebaut wurde, nach Wellen, die von diesen Quellen ausgehen: LIGO, das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium. LIGO ist gigantisch, clever und sieht seltsam aus, und seine Entwicklung hat mehr als 365 Millionen Dollar und 30 Jahre gedauert. Seine Fähigkeit, winzige Entfernungen zu messen, könnte dazu beitragen, dass die „Entdeckung“ von Gravitationswellen jeden Moment auf der Titelseite jeder Zeitung erscheint und die nächste große Runde in unserem Verständnis der Gravitation einläutet.

Verwandte Links

NOVA’s The Elegant Universe

Zeitleiste der Gravitationsgeschichte

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