Die physikalische Revolution fand am 25. November 1915 statt. Im Sitzungssaal der Preußischen Akademie der Wissenschaften, Unter den Linden 8, erklärte Albert Einstein vor seinen Akademiekollegen „die Allgemeine Relativitätstheorie als logisches Gebäude für abgeschlossen“.

Er schwärmte von dem wertvollsten Fund, den er in seinem Leben gemacht habe, und einer Theorie von „unbeschreiblicher Schönheit“. Die meisten Zuhörer konnten dem unübersichtlichen Formelgewirr indes wenig Ästhetik abgewinnen. Selbst die Koryphäen der Physik wie Max Planck mochten Einstein zunächst nicht folgen. Sie nahmen die Revolution gar nicht wahr. Heute ist die Allgemeine Relativitätstheorie, welche die Schwerkraft als eine Eigenschaft von Raum und Zeit erklärt, eine der Grundfesten der Physik und der Kosmologie. Nur eine Vorhersage entzog sich bislang dem direkten Nachweis: die Existenz von Gravitationswellen. Doch auch diese letzte Bastion soll in naher Zukunft fallen.

Die Suche nach dem goldenen Ei

Bereits im Juli 1913 hatten Max Planck und Walther Nernst bei Einstein, zu der Zeit Professor für Theoretische Physik an der Universität Zürich, vorgefühlt, ob er Interesse an einem Wechsel nach Berlin habe. Einstein stimmte dem Angebot zu. Die Kollegen in Berlin erhofften sich von Einstein neue Impulse in der Quantentheorie, die große Chancen für wissenschaftliche und wirtschaftliche Fortschritte versprach.

Einstein aber gab zu bedenken, es sei ungewiss, ob er auf diesem Gebiet überhaupt noch „ein goldenes Ei legen“ könne. Vor allem aber wollte er sich gar nicht mit der Quantenphysik beschäftigen, was seine Kollegen bald zu spüren bekamen: „Einstein steckt offenbar so tief in der Gravitation, dass er für alles andere taub ist“, bemerkte einmal resignierend der Göttinger Mathematiker David Hilbert.

Was trieb Einstein dazu, eine neue Theorie der Schwerkraft, physikalisch Gravitation genannt, zu entwickeln? Newtons Theorie der Schwerkraft, die wir noch heute in der Schule lernen, wirkt zwischen Körpern jeder Art, sie ist immer anziehend. Die Gravitation der Erde ist sowohl für den Fall eines Glases zu Boden verantwortlich als auch für den Umlauf des Mondes um unseren Planeten. Newtons Theorie der Schwerkraft schien alle Vorgänge im Kosmos perfekt zu beschreiben, doch dann zeigten sich erste Probleme. So gab es im Umlauf des Planeten Merkur um die Sonne unerklärbare Abweichungen von der Newton’schen Physik. Außerdem war nie klar, auf welche Weise die Schwerkraft übertragen wird. Sie schien jeden Ort im All ohne Zeitverzögerung erreichen zu können.

Erste Idee bereits 1907

Das widersprach aber einem Gesetz, das Einstein schon 1905 gefunden hatte, wonach sich kein Körper und keine physikalische Wirkung mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten kann. Die Idee zu einer neuen Gravitationstheorie kam Einstein 1907, als ihm ein Zusammenhang zwischen beschleunigter Bewegung und Schwerkraft bewusst wurde.

In etwas abgewandelter Form geht sein Gedankenexperiment so: In einem Labor nimmt eine Physikerin einen Apfel in die Hand und lässt ihn los, worauf dieser naturgemäß mit sich beschleunigender Geschwindigkeit zu Boden fällt. Er wird also während des Falls immer schneller. Nun fliegt die Physikerin mit einem Raumschiff ins All. Wenn sie in der Schwerelosigkeit den Apfel loslässt, schwebt er weiter neben ihr. Doch wenn die Triebwerke zünden und das Raumschiff beschleunigen, wird die Astronautin entgegen der Beschleunigungsrichtung an den Boden gepresst, und der Apfel fällt hinab.

Einstein folgerte, dass sich grundsätzlich nicht entscheiden lässt, ob die Wissenschaftlerin sich auf der Erde unter dem Einfluss der Schwerkraft oder in einem beschleunigenden Raumschiff befindet. Alle Vorgänge laufen in beiden Fällen auf dieselbe Weise ab, alle physikalischen Gesetze sind nicht unterscheidbar. Dieses sogenannte Äquivalenzprinzip ist der Dreh- und Angelpunkt der Allgemeinen Relativitätstheorie. Es offenbarte weitere Folgen, zum Beispiel für das Licht.

Wenn ein Lichtstrahl das Raumschiff in der Schwerelosigkeit durchquert, so läuft er parallel zum Boden. Er benötigt eine kurze Zeitspanne, um den Raum zu durchqueren. Nun beschleunigt das Raumschiff. In dem Zeitraum, in dem das Licht die Kabine durchquert, fliegt diese mit wachsender Geschwindigkeit nach oben.

Schwerkraft ist eine Eigenschaft von Raum und Zeit

Das hat zur Folge, dass der Lichtstrahl nun etwas weiter unten auf die Wand trifft als im schwerelosen Zustand. Wenn die Astronautin das Licht sichtbar machte, etwa durch Hineinblasen von Rauch, würde sie einen leicht gebogenen Strahl erkennen. Einstein folgerte daraus: Wenn sich die Vorgänge in einem beschleunigten Raumschiff von der Situation in der Schwerkraft nicht unterscheiden lassen, muss ein Lichtstrahl auch unter dem Einfluss der Schwerkraft so wie im Raumschiff auf einer krummen Bahn laufen.

Diese Schlussfolgerung allein aus dem Äquivalenzprinzip ist noch keine physikalische Theorie. Sie erfordert Formeln, mit denen sich alle bekannten Vorgänge richtig beschreiben und berechnen lassen. Acht Jahre lang suchte Einstein danach und gestand später, dass er sich in seinem Leben noch nie so geplagt hätte. Vor genau hundert Jahren gelangte er ans Ziel.

Im Kern besagt die Allgemeine Relativitätstheorie, dass die Schwerkraft gar keine Kraft im Sinne Newtons ist, sondern eine Eigenschaft von Raum und Zeit. Ein Lichtstrahl läuft in der Nähe eines Himmelskörpers tatsächlich auf einer krummen Bahn. Er tut das aber nicht, weil eine Kraft an ihm zieht, sondern weil der Raum verbogen ist. Jede Art von Materie verbiegt den Raum um sich herum, und alle Körper sowie Lichtstrahlen müssen diesen Verbiegungen folgen, denn sie können aus dem Raum nicht heraus.

Der Mond umkreist zum Beispiel die Erde, weil die beiden Himmelskörper den Raum eindellen wie schwere Kugeln ein gespanntes Gummituch, und sich Mond und Erde in diesen Mulden umeinanderbewegen. Die Gravitation bestimmt das Geschehen im All in gleicher Weise wie auf der Erde. Deshalb gilt: Auch ein Glas, das zu Boden fällt, folgt der Raumkrümmung.

Aus dem Äquivalenzprinzip leitete Einstein eine weitere verblüffende Erkenntnis ab: Uhren gehen um so langsamer, je stärker die Schwerkraft ist. Kein mechanischer Einfluss auf die Uhren ist hierfür verantwortlich, sondern die Zeit an sich vergeht unterschiedlich schnell. Das betrifft auch biologische Vorgänge. So würde ein Mensch, der in der obersten Etage eines Hochhauses wohnt, nach 80 Jahren rein rechnerisch um rund eine zehntausendstel Sekunde älter sein als sein Zwillingsbruder, der dieselbe Zeit im Erdgeschoss gewohnt hat. Weil Zeit und Raum in der Relativitätstheorie untrennbar miteinander verbunden sind, sprechen Physiker auch von der Raumzeit.

Lange im Schatten der Quantenphysik

Die neue Gravitationstheorie stieß anfangs auf wenig Gegenliebe. Sie widersprach dem „gesunden Menschenverstand“ und stellte sehr hohe mathematische Anforderungen. Ihr Durchbruch erfolgte im Jahre 1919. Eine britische Expedition beobachtete während einer totalen Sonnenfinsternis die Positionen von Sternen, die nahe der Sonne am Himmel standen.

Im Vergleich mit anderen Aufnahmen derselben Himmelsregion, jedoch ohne die Sonne darin, stellten die Forscher fest, dass die Sterne während der Finsternis leicht verschoben erschienen. Ursache war die von Einstein vorhergesagte Lichtablenkung in der Raummulde, welche die Sonne um sich herum erzeugt. Diese Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie verbreitete sich in der ganzen Welt. Sie erschien unter anderem auf der Titelseite der Times und wurde sogar von den Abgeordneten im britischen Unterhaus heftig diskutiert. Schließlich hatten britische Forscher die Theorie eines deutschen Physikers bestätigt und damit den britischen Gelehrten Isaac Newton vom Thron gestoßen – und das nur ein Jahr nach Ende des Ersten Weltkriegs, in dem sich deutsche und britische Soldaten erbittert bekämpft hatten.

Mit einem Mal stand Einstein im Mittelpunkt auch des öffentlichen Interesses: „Gegenwärtig debattiert jeder Kutscher und jeder Kellner, ob die Relativitätstheorie richtig sei“, schrieb er. Dennoch stand seine Errungenschaft lange im Schatten der zweiten physikalischen Revolution: der Quantenphysik. Sie beschrieb die Eigenschaften der Materie und besaß eine größere Alltagstauglichkeit, zum Beispiel bei der Entwicklung neuer Materialien.

Erklärung für Neutronensterne und Pulsare

Erst neue Entdeckungen in der Astrophysik und Kosmologie rückten die Allgemeine Relativitätstheorie wieder in den Blickwinkel der Forscher. Ende der 1930er-Jahre stieß eine Gruppe von Theoretikern um Julius Robert Oppenheimer auf ein Rätsel. Wenn ein Stern seinen Brennstoff verbraucht hat, bricht er in sich zusammen. War der Stern sehr massereich, so schien keine Kraft den Kollaps aufhalten zu können, und er schnurrte zu einem Punkt zusammen – ein physikalisches Unding, an dessen Existenz Einstein selbst nicht glauben mochte.

Es dauerte weitere 20 Jahre, bis der US-amerikanische Physiker John Archibald Wheeler dieses seltsame Phänomen aufgriff. Obwohl anfangs ebenfalls skeptisch, kam er zu dem entscheidenden Schluss: Bei dem unausweichlichen Kollaps verdichtet sich die Materie des ehemaligen Sterns immer weiter, wodurch sich der umgebende Raum immer stärker verbiegt.

Schließlich wird die Krümmung so groß, dass sich der Stern gewissermaßen vom Universum abnabelt. Von außen kann alles in diesen Raumtrichter hineinfallen, aber es gelangt nichts mehr heraus: Ein Schwarzes Loch ist geboren. Heute ist die Existenz dieser Gravitationsmonster unbestritten. Auch andere Himmelskörper wie Neutronensterne und Pulsare lassen sich nur mit der Allgemeinen Relativitätstheorie erklären. Vor allem aber basiert die Theorie des in einem Urknall entstandenen und unablässig expandierenden Universums auf Einsteins Geniestreich.

Aber es fehlt noch ein Baustein. Mitte 1916 entdeckte Einstein, dass Himmelskörper Gravitationswellen abstrahlen können, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie entstehen zum Beispiel, wenn zwei Himmelskörper schnell umeinander kreisen. Man kann sich eine Gravitationswelle ähnlich vorstellen wie eine Welle auf der Oberfläche eines Sees, in den man einen Stein geworfen hat. Wo sie auftritt, staucht und dehnt sie kurzzeitig den Raum, das heißt, die Abstände zwischen allen Körpern ändern sich. Allerdings ist der Effekt bislang unmessbar klein. Die Raumstauchung liegt in der Größenordnung eines Atomkerns.

Der Nachweis von Gravitationswellen, an dem viele Forschern intensiv arbeiten, wäre nicht nur eine weitere brillante Bestätigung für die Allgemeine Relativitätstheorie, sondern würde ein ganz neues Beobachtungsfenster ins Universum öffnen. Gravitationswellen beinhalten Informationen über Schwarze Löcher oder explodierende Sterne, die sich auf keine andere Art und Weise erlangen lassen.