Eine Sternstunde der Wissenschaft des 20. Jahrhunderts – Die Bestätigung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vor 100 Jahren

Ausgerüstet mit Daten und Analysen stand am Abend des 6. November 1919 ein Team von Astronomen um Sir Arthur Stanley Eddington in der Royal Society in London in einem stark überfüllten Raum und skizzierte seine Messergebnisse. Ca. ein halbes Jahr zuvor hatten seine Mitglieder auf der abgelegenen westafrikanischen Insel Príncipe eine totale Sonnenfinsternis beobachtet und fotografiert (eine zweite Gruppe war nach Brasilien gefahren, um dort in Sobral Aufnahmen vom gleichen Ereignis zu machen). Was heute von Millionen Menschen zum Anlass eines solchen Spektakels millionenfach mit dem Handy gemacht wird, war damals alles andere als einfach. Die Fotografietechnik war noch sehr primitiv und ganz allgemein waren nach dem Ersten Weltkrieg die wissenschaftlichen Ressourcen knapp. Doch die Forscher um Eddington hatten enorme Bemühungen auf sich genommen, denn sie glaubten, dass ihre Beobachtungen die revolutionärste wissenschaftliche Idee der modernen Wissenschaft beweisen oder widerlegen könnten: Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie.

Im November 1915 hatte Einstein auf einer Sitzung der Preussischen Akademie der Wissenschaften seine «verallgemeinerte Gravitationstheorie» vorgestellt. Darin hatte er die Wirkung der Gravitationskraft mit der Struktur von Raum und Zeit verbunden und formuliert, dass Gravitation nichts anderem entspricht als einer Veränderung in der geometrischen Struktur eines vereinten vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuums. Einstein hatte damit vereint, was in der klassischen Theorie Isaac Newtons noch scharf getrennt war: Raum und Kraft, Geometrie und Gravitation. Massen treten bei ihm nicht mehr wie noch bei Newton durch Kräfte in einem absoluten Raum und in einer absoluten Zeit miteinander in Verbindung, sondern sie verändern die Struktur der Raum-Zeit, indem sie diese verbiegen oder „krümmen“, was wiederum andere Massen „gravitativ“ beeinflusst. Die klassische flache, sogenannte „Euklidische Geometrie“ des Raums verliert in Einsteins Theorie ihre Gültigkeit und wird durch eine lokal gekrümmte Geometrie ersetzt, deren jeweilige Krümmung von der vorliegenden Massenverteilung abhängt. Der Raum ist also nicht mehr Behälter der physikalischen Welt, die Zeit nicht mehr innerer Parameter der Bewegung, sondern beide sind integrierter Gegenstand der Physik mit einer eigenen Dynamik.

Mithilfe einer Analogie lässt sich Einsteins abstrakte Theorie veranschaulichen: Eine Bleikugel auf einer Gummimatte bewirkt, dass sich an der Stelle, an der sie liegt, eine Verformung einstellt. Diese Wölbung wiederum beeinflusst die Bewegung anderer Kugeln auf der Matte. Eine zweite Bleikugel wird um das Zentrum der durch die erste Kugel hervorgerufenen Wölbung kreisen (unter der Annahme, dass keine Reibung wirkt). Die Kugeln auf der Gummimatte ziehen sich also nicht aufgrund irgendwelcher Kräfte an, die auf die wirken, sondern weil sie selbst die Form des Raums verändern, in dem sie sich befinden. Analog führt eine durch einen massiven Körper hervorgerufene Verformung der geometrischen Struktur des dreidimensionalen Raums zu einer Beeinflussung der Bewegung anderer Massekörper. Doch während klar ist, dass sich die zweidimensionale Matte in die dritte Dimension des Raumes hinein deformiert, ist unklar, wohin sich der Raum selbst verformen kann? Die Antwort lautet: in eine vierte Dimension. Anstatt nur die Geometrie eines dreidimensionalen Raums zu beschreiben, in welcher sich die Körper in einer davon unabhängigen eindimensionalen Zeit bewegen, müssen wir in Einsteins geometrischer Beschreibung der Gravitation Raum und Zeit als in einer vierdimensionalen Welt untrennbar miteinander verbunden betrachten. Und bei der Anwesenheit von Massen krümmt sich diese Raum-Zeit lokal. Dies bedeutet unter anderem, dass sich ein Lichtstrahl verbiegt, wenn er einen durch eine Masse gekrümmten Raum durchläuft.

Um seine Theorie zu untermauern, hatte Einstein bestehende astronomische Beobachtungen herangezogen, die Newtons klassischer Gravitationstheorie widersprachen, darunter eine schon damals lange bekannte Anomalie in der Umlaufbahn des Merkurs um die Sonne. Aber dies waren post hoc Rationalisierungen. Was er benötigte, um zu zeigen, dass seine Theorie richtig war, war die empirisch überprüfte Vorhersage eines noch unbekannten Phänomens. Die Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne war ein solches.

Die Sonnenfinsternis im Mai 1919 bot Eddington die perfekte Gelegenheit zu einer Vermessung dieses Phänomens. Denn während einer totalen Sonnenfinsternis verläuft die Mondscheibe exakt vor der Sonne. Dies blendet ihre hellen Strahlen aus und ermöglicht es Astronomen, das relativ schwache Licht der Hintergrundsterne zu erfassen. Durch den Vergleich vorhandener Fotografien einer bestimmten Sterngruppe (im konkreten Fall die Sterne des Hyaden-Clusters im Sternbild Stier) mit Bildern von ihnen, die während einer Sonnenfinsternis aufgenommen wurden, sollte es möglich sein festzustellen, ob sich die Position der Sterne verschoben hat, weil der Raum, durch den sie laufen, von der Sonne verbogen wird.

Die Verteidigung der Theorie des Deutschen Einstein durch den Engländer war damals eine politisch äusserst delikate Angelegenheit. Zum einen war die direkte Kommunikation zwischen den beiden Männern seit Jahren unmöglich. Deutschland hatte sich im Krieg mit Grossbritannien befunden, als die Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht wurde, und Eddington nur eine geschmuggelte Kopie dieser Arbeit erhalten. Mitten im Ersten Weltkrieg hatte er mit seinen Kollegen heimlich geplant, die umstrittenen Ideen des Deutschen zu bestätigen, zu einer Zeit, in der die Zeitschrift Nature so weit gegangen war, die Unterlegenheit der gesamten deutschen Wissenschaft zu proklamieren.

Die von Einstein vorhergesagte Krümmung war aber auch sehr schwer zu messen. Denn bereits Newton hatte eine Ablenkung des Lichtes durch die Wirkung einer Schwerkraft vorhergesagt. Berechnungen der deutsche Astronom Johann Georg von Soldner von 1801 auf der Basis von Newtons Theorie hatten ergeben, dass Lichtstrahlen eines fernen Sterns, die am Sonnenrand vorbei streichen, um einen Winkel von 0.9 Bogensekunden abgelenkt werden sollten (eine Bogensekunde entspricht dem 1/3.600tel eines Grad). Liess sich der in einer konkreten Messung erhaltene Wert ausreichend stark von diesen 0,9 Bogensekunde abgrenzen, um den von Einstein vorhergesagten doppelten Wert von 1,8 Bogensekunden zu bestätigen?

Alle warteten gespannt auf Eddingtons Ergebnisse an diesem Novemberabend im Jahr 1919. Und tatsächlich: Der gemessene Wert entsprach exakt der Lichtablenkung, die Einstein berechnet hatte und widersprach damit klar dem sich aus Newtons Theorie ergebenen Wert. Das Publikum war fassungslos. Durch die Zusammenarbeit der unermüdlichen Ausdauer des Theoretikers Einstein, der die nur von Wenigen wahrgenommen Ungereimtheiten und minimalen Inkonsistenzen der bestehenden physikalischen Theorie der Gravitation nicht akzeptieren wollte, und der erstaunlichen Präzision der Messungen des Astronomen Eddingtons, der keine Mühen und Aufwand scheute, um Einsteins Theorie auf den Prüfstand zu stellen, waren mit einem Mal zweihundert Jahre Newtonscher Physik umgestürzt worden. Welch ein Triumph für die Wissenschaft des frühen 20. Jahrhundert in einer Zeit derart grosser Unsicherheit!

Wie die Wissenschaftler, so waren auch die Journalisten weltweit beeindruckt. «Revolution in der Wissenschaft: Neue Theorie des Universums. Newtonsche Ideen gestürzt», titelte die Londoner Times am nächsten Tag, während die New York Times schwelgte: «Alle Lichter sind schief am Himmel. Einsteins Theorie triumphiert.» Erst die Ergebnisse Eddingtons verwandelten Albert Einstein in eine globale Berühmtheit wie keinen anderen Physiker nach Isaac Newton, dessen Theorie er verdrängte.

Noch heute wartet Einsteins Theorie mit spektakulären Bestätigungen auf: Im Jahre 2016 die Messung von Gravitationswellen – Verformungen der Raumzeit, ebenfalls durch Massen hervorgerufen, die sich wellenartig ausbreiten – sowie die erst sehr kürzlich publizierte erste Fotografie eines Schwarzen Loches. Doch anders als zu Zeiten Eddingtons überrascht das die Wissenschaftler heute kaum mehr.