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Los Angeles, 1931: Albert Einstein im Smoking

100 Jahre und kein bisschen widerlegt

Am 25. November 1915 hat Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie (ART) der Öffentlichkeit vorgestellt. Heute ist sie noch immer das Beste, was Forscher für die Beschreibung des Kosmos in Händen halten. Was zeichnet Einsteins Theorie aus? Und warum ist sie nach wie vor so erfolgreich? Antworten auf diese Fragen gibt der Physiker Alex Nielsen.

Allgemeine Relativitätstheorie 25.11.2015

science.ORF.at: Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) ist die vermutlich prominenteste Theorie der Physik. Was macht sie so besonders?

Alex Nielsen: Sie beschreibt, wie sich Massen gegenseitig beeinflussen und wie sich Objekte unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegen. Immer dann, wenn die Gravitation ins Spiel kommt, zeigt uns die Allgemeine Relativitätstheorie, was passiert. Und sie zeigt uns auch, wie sich das Universum als Ganzes verhält.

Was für ein Typ von Theorie ist das - hat sie einen besonderen Stil?

Portraitbild Alex Nielsen

Alex Nielsen

Alex Nielsen ist theroretischer Physiker am Albert-Einstein-Zentrum Hannover. Arbeitsgebiete: Schwarze Löcher und Gravitationswellen.

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Dem 100-jährigen Jubiläum der ART widmen sich aktuell auch die Ö1-Dimensionen: "Strings oder Schleifen? Eine Studiodiskussion zur Symbiose von Relativitätstheorie und Quantenmechanik"

Nielsen: Die Relativitätstheorie ist in der Sprache der Geometrie verfasst. Die geometrischen Ideen, die Einstein verwendet hat, waren zum Teil schon im 19. Jahrhundert bekannt. Aber die Art und Weise, wie er sie auf die Physik angewandt hat, das war etwas grundlegend Neues. In stilistischer Hinsicht kann man wohl behaupten, dass Einstein eine sehr elegante und gleichzeitig sparsame Theorie gelungen ist. Die Theorie kommt mit einem absoluten Minimum an Komplikationen aus. Damit steht sie in starkem Kontrast zum Standardmodell der Elementarteilchen, wo alles sehr kompliziert ist.

Was ist die wichtigste Erkenntnis, die wir der ART verdanken?

Nielsen: Ich denke, für Einstein war die überraschendste Einsicht, dass sich das Universum ausdehnt. Das wurde auch durch Messungen bestätigt. Die Theorie sagt grundsätzlich voraus, dass das Universum entweder schrumpfen oder wachsen muss. Es ist nicht einfach, Lösungen zu finden, bei denen alles stabil bleibt.

Und wir verdanken ihr auch in anderer Hinsicht völlig neue Ideen. Die ART sagt voraus, dass es im Universum so eigenartige Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne geben muss, ebenso die Existenz von Gravitationswellen - das sind wellenförmige Dehnungen bzw. Stauchungen der Raumzeit.

Wurden die Gravitationswellen schon nachgewiesen?

Nielsen: Es gibt zumindest sehr gute Hinweise auf ihre Existenz. Wenn zum Beispiel zwei Neutronensterne um eine gemeinsame Achse kreisen, dann nähern sie sich ganz langsam an. Das wurde bereits gemessen - das Ergebnis passt perfekt zur ART: Laut Theorie verliert nämlich das Doppelsternsystem durch die Abstrahlung von Gravitationswellen Energie.

Künstlerische Darstellung: Zwei rotierende Neutronensterne

NASA/Goddard Space Flight Center

Zwei rotierende Neutronensterne

Wie bzw. wie oft wurde die Theorie in den letzten Jahren überprüft?

Nielsen: Es gab viele Experimente. In Zukunft versuchen wir die Theorie etwa mit Hilfe des LIGO-Detektors zu überprüfen, der die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher beobachten soll. Ansonsten ist es mittlerweile eher so, dass die Effekte der Theorie zu Werkzeugen der Astronomie geworden sind. Das gilt etwa für den Gravitationslinseneffekt, also die Ablenkung von Licht durch große Massen. Mit Hilfe dieses Effekts untersuchen Forscher zum Beispiel das Licht von fernen Galaxien. Auch einige Exoplaneten wurden damit schon entdeckt.

Und es gab in all dieser Zeit keine Anzeichen einer Widerlegung? Ist es möglich, dass die Theorie dennoch falsch ist?

Nielsen: Das ist mit Sicherheit möglich, aber wir haben keine überzeugenden Belege dafür. Es gibt allerdings Gravitationseffekte, deren Ursache wir nicht kennen. Aus dem Verhalten von Galaxien müssen wir schließen, dass es da draußen sehr viel Materie gibt, die wir nicht sehen können. Also gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder existiert unsichtbare Materie - oder Einsteins Theorie ist falsch.

Was glauben Sie?

Nielsen: Die bisherigen Befunde sprechen sehr stark für die Dunkle Materie.

Einstein hat seine Theorie vor 100 Jahren entwickelt. Ist es nicht eigenartig, dass dieser "Oldtimer" bis heute so erfolgreich ist?

Nielsen: Ja, da stimme ich Ihnen zu. Die Theorie hat sich als extrem robust erwiesen und das ist wirklich erstaunlich. Natürlich haben viele Physiker versucht, die ART zu erweitern oder zu variieren, doch die alte Version ist immer noch sehr, sehr gut. Es gibt keinen Anlass, sie zu verändern. Dass Einsteins Theorie bisher so gut abgeschnitten hat, hat auch mit den extremen Energiebereichen zu tun, in denen sie zusammenbrechen könnte.

Was meinen Sie mit "zusammenbrechen"?

Nielsen: Ich meine damit, dass sie falsche Vorhersagen liefert. Auf sehr kleinen Skalen erwarten wir aufgrund der Quantentheorie, dass der Raum eine "raue", diskrete Struktur hat - und nicht so schön glatt ist wie in Einsteins Theorie.

Besteht zwischen ART und Quantentheorie ein Widerspruch?

Nielsen: Ich würde sagen, sie behandeln Raum und Zeit auf unterschiedliche Weise. In der Quantentheorie sind diese beiden Größen mehr oder weniger getrennt, in Einsteins Theorie sind sie verwoben.

Ist das der Grund, warum die beiden Theorien so schwer zu versöhnen sind?

Nielsen: Das ist einer der Gründe. Ein anderer ist, dass wir kaum experimentelle Befunde haben, die uns den Weg weisen könnten. Es gäbe viele Möglichkeiten, die beiden Theorien zu vereinigen, aber wir wissen schlichtweg nicht, welche die richtige ist.

Die aktuellen Experimente am Kernforschungszentrum CERN können da nicht helfen?

Nielsen: Nein, absolut nicht. Die Energiebereiche, die für solche Experimente notwendig wären, sind jenseits aller Möglichkeiten.

Kann man das in Zahlen fassen?

Nielsen: Im Moment läuft der LHC, der große Teilchenbeschleuniger am CERN, mit Energien von 10 hoch 12 Elektronenvolt. Um in interessante Bereiche vorzudringen - also dort, wo wir glauben, dass die Raumzeit körnig wird -, brauchte es 10 hoch 28 Elektronenvolt. Es fehlt ein Faktor von 10 Billiarden.

Das heißt, in den nächsten 100 Jahren brauchen wir nicht mit solchen Experimenten rechnen?

Nielsen: Nein, es sei denn, jemand entwickelt eine nette neue Technologie.

Kommen wir nochmals zurück zur Theorie. Welchem Ansatz trauen Sie es am ehesten zu, die ART mit der Quantentheorie zu vereinigen?

Nielsen: Es gibt da einen sehr populären Ansatz, die Stringtheorie. Sie beschreibt die Gravitation nicht, wie Einstein es gemacht hat, geometrisch, sondern als Kraft. Ich glaube, dass hier einige wichtige Einsichten liegen. In diesem Bild rückt die Gravitation auf sehr natürliche Weise an die anderen Grundkräfte der Physik heran.

Angenommen, der Weg zur großen vereinheitlichten Theorie wäre einen Kilometer lang. Wo steht die gegenwärtige Physik?

Nielsen: In der theoretischen Arbeit haben wir vielleicht ein Zehntel des Weges hinter uns gebracht, also rund 100 Meter. Was die Experimente betrifft, würde ich sagen: noch nicht einmal einen Meter.

Interview: Robert Czepel, science.ORF.at

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