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100 Jahre Relativitätstheorie: Wie Einstein die Welt auf den Kopf stellte

Sein Liebesleben ist ein Chaos, beruflich ringt er mit seinen Formeln. Vor 100 Jahren vollendet Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie – und zerschlägt ein Weltbild.

Von Frank Ochmann

"Das allgemeine Relativitätsproblem ist nun endgültig erledigt...", schrieb Albert Einstein am 26. November des Jahres 1915 an einen Freund. "Die Theorie ist von unvergleichlicher Schönheit."

"Das allgemeine Relativitätsproblem ist nun endgültig erledigt...", schrieb Albert Einstein am 26. November des Jahres 1915 an einen Freund. "Die Theorie ist von unvergleichlicher Schönheit."

Drei Tage vor dem ersten Advent des Jahres 1915 liegt der November über Berlin wie ein feuchtes Tuch. Das Thermometer steigt kaum über zwei Grad. Dazu regnet es immer wieder, wenn auch nicht stark. Das deprimierende Wetter passt zu den Nachrichten. Seit über einem Jahr herrscht Krieg in Europa. An den Fronten im Westen und Osten mahlen die Knochenmühlen. Und am Rhein werden die Kartoffeln knapp, wie das "Berliner Tageblatt" an diesem 25. November berichtet. Auch die Nachricht von den ersten am Tempelhofer Feld angelieferten Weihnachtsbäumen ist kaum geeignet, die Stimmung aufzuhellen: "Soweit sich bisher erkennen lässt, wird es in diesem Jahre durchschnittlich nur mittelgroße und kleine Bäume geben."

Der zermürbende Krieg lässt Albert Einstein, den gebürtigen Ulmer mit Schweizer Pass, nicht unberührt. Seit gut anderthalb Jahren lebt der bereits nobelpreisverdächtige junge Physiker in Berlin. Auch über sein Fach hinaus erregt er Aufmerksamkeit. So hat ihn der Berliner Goethe­bund gebeten, für einen Sammelband seine Gedanken über den Krieg zu Papier zu bringen. Ob sie wussten, wie er dachte? Der Patriotismus berge die "moralischen Requisiten für tierischen Hass und Massenmord", führt Einstein Ende Oktober aus – und streicht die Passage, weil ihm der Goethebund das nahelegt. "Ein anderer als er hätte darunter gelitten, sich in diesem furchtbaren Jahr im Denken isoliert zu fühlen", schreibt der französische Literaturnobelpreisträger und Pazifist Romain Rolland, den Einstein kurz zuvor getroffen hatte. "Er nicht. Er lacht."

Einstein erklärt die Welt

An diesem Donnerstag aber ist er mit seinen Gedanken ohnehin woanders. Auch das ist Einstein eigen: "Er brauchte den Alltag nicht abzuschütteln", wie ein Freund beobachtet. "Er trat aus ihm hinaus und stand über ihm, wann immer er dies wollte." So war schon Albert, das Kind. So ist jetzt auch der Herr Professor kurz vor dem Triumph seines Lebens. Einstein wird an diesem Nachmittag nicht weniger als ein neues Zeitalter ausrufen. Bald schon werden sie ihn auf eine Stufe mit geistigen Titanen wie Kopernikus, Kepler und Newton stellen. Doch der Weg zum ewigen Ruhm muss Schritt für Schritt gegangen werden.

Die Akademie – und Elsa

Wer Einstein damals in Berlin auf der Straße begegnet, ahnt kaum etwas vom revolutionären Geist, der in ihm steckt. Noch ist er nicht der weißmähnige Zausel, der einem Fotografen ausgelassen die Zunge herausstreckt und damit eine Ikone für Freidenker erschafft. In Berlin versucht er, nicht aufzufallen, auch wenn ihn die "pfauenhafte Grandezza" vieler Kollegen amüsiert. Trotzdem beugt er sich der geltenden Kleiderordnung, "um nicht dem Auswurf der hiesigen Menschheit zugezählt zu werden". Er zeigt sich gesittet im gedeckten Dreiteiler mit Mantel, Hut, Gehstock.

Wie üblich trifft sich die Preußische Akademie der Wissenschaften nachmittags um vier in ihrem imposanten Sitz Unter den Linden. Einstein ist seit April 1914 Vollmitglied im elitären Kreis von etwa 70 Kollegen. Mit einem üppigen Vertrag haben sie das junge Talent von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich herbeigelockt. Damals stattliche 12 000 Mark jährlich erhält Einstein für eine Professur, dazu 900 Mark als "Ehrensold" der Akademie. Ein eigenes Institut wird ihm ebenfalls in Aussicht gestellt. Vor allem aber gewähren sie ihm völlige akademische Freiheit. "Ich konnte der Versuchung nicht widerstehen, eine Stelle anzunehmen, in der mir alle Verpflichtungen abgenommen sind, so dass ich mich ganz der Grübelei hingeben kann."

Den anderen, mindestens ebenso wichtigen Grund für den Wechsel nach Berlin lässt Einstein dabei unerwähnt: seine drei Jahre ältere Cousine Elsa, geborene Einstein, geschiedene Löwenthal. Nach längerer Pause hat er sie 1912 bei einem Besuch in Berlin wiedergesehen – und bald darauf geriet sein privates Leben aus der Spur. "Ich habe Dich in diesen wenigen Tagen so lieb gewonnen, dass ich Dirs kaum sagen kann", schmachtet er Elsa an. Da ist er noch mit Mileva verheiratet, die einmal ganz ähnliche Briefe erhalten hat. Ein paar Jahre hat er sich zusammengerissen. Dann kriselt es zunehmend. Nun also Elsa. Jammerschade sei es, nicht in derselben Stadt zu wohnen, schreibt er der Cousine.

Dank des Akademieangebots ist diese Hürde schnell genommen. Und die Familie? Mileva kommt mit den beiden Söhnen Hans Albert und Eduard von Zürich noch nach Berlin. Doch Einstein setzt dem nun lästigen Miteinander ein so schnelles wie brutales Ende. Mit haarsträubenden Vorschriften, die er wie eine Kapitulation unterzeichnen lässt, ekelt er Mileva aus dem Haus. Unter Artikel C, Punkt 3 etwa fordert er: "Du hast mein Schlaf- bezw. Arbeitszimmer sofort und ohne Widerrede zu ver­lassen, wenn ich darum ersuche." Natürlich muss sie die Räume trotzdem tipptopp halten. Das steht unter Abschnitt A. Nach drei Monaten ist alles aus. "Die letzte Schlacht ist geschlagen", schreibt er Elsa gleich. "Gestern ist meine Frau mit den Kindern für immer abgereist. Ich war an der Bahn und gab ihnen den letzten Kuss." Den ganzen Nachmittag und Abend habe er "geheult wie ein kleiner Junge". Mitleid, so scheint es, hat er vor allem mit sich selbst. Wie hilfreich ist es da, sich flugs wieder ins Reich der Formeln retten zu können, in die geliebte "Grübelei".

Warum ziehen sich Massen an?

Eine Frage vor allem steht da schon etwa zehn Jahre im Zentrum seines geistigen Ringens: Woher stammt jene Schwerkraft, die Körper aneinanderbindet? Was ist das Wesen der Gravitation? Tag für Tag lässt sie uns aufrecht stehen und gehen. Sie hält die Erde auf ihrer Bahn, dirigiert als geheimnisvolle Choreografin letztlich jede Bewegung im Kosmos. Isaac Newton, Einsteins genialer Vorläufer und wie er ein Grübler mit auffallenden sozialen Anpassungsschwierigkeiten, hatte mehr als zwei Jahrhunderte zuvor eine erste Theorie der Gravitation entwickelt. An einem beschaulichen Abend sann Newton in seinem Garten einem fallenden Apfel nach und griff dann zur Feder. Mit den bahnbrechenden Formeln, die er entwickelte, ließ sich die Wirkung der Gravitation zwischen zwei Körpern genau beschreiben. Newton konnte sich noch auf seinen Glauben zurückziehen und seinem Schöpfer danken. Für Einstein dagegen schied ein derartiger Gott als letzte Ursache aus. Er musste einen Grund für die Massenanziehung in der Natur selbst finden und mit dem Verstand. Warum also gab es diese Kraft?

Als Einstein das endlich begreift, ist es für ihn "der glücklichste Gedanke meines Lebens". Seine Erkenntnis ist in ihren Grundzügen so einfach, dass sie nicht nur geniale Physiker verstehen können. Ein Gedankenexperiment: Was spürt ein Mensch in einem frei fallenden Aufzug? Nichts! Von einem vermutlich mulmigen Gefühl einmal abgesehen. Aber an den Füßen? Die Schwerkraft der Erde, die diesen Menschen kurz zuvor noch auf den Boden des Lifts gezogen hat, scheint im freien Fall wie abgeschaltet. Gäbe es eine Waage, würde sie tatsächlich nicht ausschlagen. Der Planet, der die Anziehung mit seiner gewaltigen Masse bewirkt, ist aber doch noch da!

Einstein liebte solche Versuche im Kopf. Umkehren lässt sich das Gedankenexperiment auch: Würde die Erde also wirklich verschwinden, der Aufzug aber vom lieben Gott oder sonst einem geheimnisvollen Akteur mit passender Kraft nach oben gezogen, käme ein Passagier im fensterlosen Inneren nie darauf, dass es den Himmelskörper unter ihm gar nicht mehr gibt. Vielmehr ist es jetzt die Beschleunigung nach oben, die den Fahrstuhlboden gegen seine Füße drückt. Was das bedeutet? Wenn sich die Schwerkraft der Erde für einen Beobachter im Aufzug durch eine passende Beschleunigung er­setzen lässt, dann sind Schwerkraft und ­Beschleunigung ununterscheidbar. Dann ist die Schwerkraft nichts anderes als eine ­Beschleunigung! Was aber heißt das genau?

Jeder Schritt ist verteufelt schwierig

Dieser geistige Urknall wird eine komplette Theorie von Raum und Zeit und damit eine ganz neue Sicht auf das Universum hervorbringen. Aber natürlich ändert er erst einmal nichts am alltäglichen Erleben. Die Berliner wuseln weiter durch ihre rasant wachsende Stadt, "als kostete die Minute zehn Mark", wie der spätere Regierende Bürgermeister Ernst Reuter schon 1913 beobachtete. Da spielt die Theorie der Gravitation keine Rolle. Einstein aber nimmt die gewonnenen Einsichten ernst und lässt von diesem Gedanken nicht mehr ab. Ohnehin war das Universum mit seinen geheimnisvollen Kräften so ziemlich das Einzige, dem Einstein uneingeschränkten Respekt zollte. Fast immer lag ein feines Schmunzeln auf seinem Gesicht. Schon einen Lehrer am Gymnasium hat das in Rage versetzt. "Sie sitzen in der letzten Reihe und lächeln, und das verletzt das Respektgefühl, das ein Lehrer von seiner Klasse braucht." Einstein erzählte gern davon. Und lächelte.

Die Aufgabe allerdings, die nun vor ihm liegt, nachdem er den fundamentalen Zusammenhang zwischen Schwerkraft und Beschleunigung erkannt hat, verlangt ihm gewaltigen Respekt ab. Denn jetzt kommt es darauf an, den ihn so glücklich stimmenden Gedanken in kristallklares Formelwerk zu übersetzen. Eine Tortur. "Jeder Schritt ist verteufelt schwierig", klagt Einstein bald. Nie im Leben habe er sich so geplagt. Einen Mathematiker fleht er schließlich an: "Grossmann, du musst mir helfen, sonst werd ich verrückt!" Marcel Grossmann, ein Freund aus Studientagen, hilft, gibt aber vorsichtig zu bedenken, das Ganze könnte für einen Physiker doch zu mühsam werden, und verweigert auch gleich jede Verantwortung für die physikalischen Folgen seiner mathematischen Unterstützung. Einstein aber schreckt das nicht ab. Die Revolution der Physik führt er gern persönlich an. Eine der wichtigsten Bastionen, von Newton wie für die Ewigkeit errichtet, hatte er immerhin schon Jahre zuvor genommen.

Raum und Zeit werden verzerrt

Der große Newton formulierte nämlich nicht nur sein berühmtes Gravitationsgesetz. Er hatte auch angenommen, dass Raum und Zeit absolut und damit überall vollkommen gleich beschaffen sein müssten. Sein Glaube verlangte das. Denn das All musste doch das harmonische und unveränderliche Wesen Gottes, seines Schöpfers, widerspiegeln. Einstein fiel es auch emotional keineswegs leicht, gegen Newton anzudenken. Dessen Porträt hing über dem Schreibtisch. Doch es musste sein. "Newton verzeih mir", schreibt er also einmal, "du fandest den einzigen Weg, der zu deiner Zeit für einen Menschen von höchster Denk- und Gestaltungskraft eben noch möglich war."

Albert Einstein kann aufbauen auf dem, was andere seit Newtons Tod errichtet haben. Während Einstein noch zur Schule ging, gelang jene Beobachtung, die schließlich zu seiner Revolution der Physik führte: Das Licht, so zeigten Messungen, bewegt sich im Vakuum mit der immer gleichen Geschwindigkeit von knapp 300 000 Kilometern in der Sekunde. Nichts und niemand kann daran offenbar etwas ändern. Das klingt nicht spektakulär. Wie ungewöhnlich es aber tatsächlich ist, zeigt sich auch im Alltag. Beim Blick von einem fahrenden Zug zum anderen etwa beobachten wir eine Geschwindigkeit, die von unserer eigenen abhängt: Fahren die beiden Züge ähnlich schnell in dieselbe Richtung, scheint sich der jeweils andere Zug kaum vorwärts zu bewegen. Bei exakt gleicher Geschwindigkeit bleiben die Züge sogar scheinbar stehen. Beim Licht aber ist das plötzlich alles anders. Egal, aus welcher Position gemessen wird, ob der Beobachter schnell ist oder langsam, die Lichtgeschwindigkeit ist unveränderlich. Vorstellbar ist das nicht. Aber messbar.

Schon beim bahnbrechenden Versuch von Albert Michelson und Edward Morley in den 1880er Jahren zeigte sich die da noch gänzlich unerklärliche Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Selbst die beachtliche Bewegung der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne mit über 100 000 Kilometern pro Stunde spielte bei den Messungen keine Rolle. Ob Lichtstrahlen in derselben Richtung gemessen wurden, entgegengesetzt oder auch zur Seite – das Resultat blieb unverändert. Immer genauere Experimente haben das inzwischen bis zur 17. Stelle hinter dem Komma bestätigt.

So wenig vorstellbar diese Besonderheit des Lichts ist, so wenig alltäglich ist auch das, was daraus folgt. Pure Mathematik führt von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in ein gänzlich neues Bild vom Kosmos. Das hatte Einstein bereits 1905 mit seiner "Speziellen Relativitätstheorie" in der Sprache der Mathematik beschrieben – und alle Vorstellungen vom absoluten Raum und einer unveränderlichen, überall im Kosmos gleichen Zeit gekippt. Kein einziger Maßstab ist von da an mehr absolut. Vielmehr hängt die Länge eines beliebigen Objekts und auch die Dauer eines Ereignisses plötzlich davon ab, welcher Beobachter die Messung vornimmt. Die Formeln lassen keinen anderen Schluss zu. Einer, der sich nicht bewegt, kommt also mit Maßband und Uhr zu ganz anderen Werten als einer, der sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegt und dieselben Messungen vornimmt. In der alltäglichen Welt spielt das keine Rolle, weil wir uns im Vergleich zum Licht selbst mit den schnellsten verfügbaren Raketen noch unvorstellbar langsam bewegen. Wir haben Newtons Universum noch nicht verlassen, könnte man sagen. Ganz anders aber sähe das aus, könnten wir eines Tages mit einem genialen Antrieb von einem Sonnensystem zum anderen rasen. Jahrzehnte auf der Erde würden den Formeln Einsteins nach in einem solchen Raumschiff zu wenigen Jahren schrumpfen. Wer dann als Astronaut zu seiner Erde zurückkehrte, würde sie kaum noch wiedererkennen. Von seinen Lieben fände er dann nur noch die Gräber, obwohl er selbst wenig gealtert wäre. Das ist die verrückte Welt der Relativitätstheorie. Und sie ist kein Hirngespinst.

Experimente beweisen die Theorie

Schon bei Transatlantikflügen lässt sich die von Einstein behauptete Zeitdifferenz mit einem Paar anfangs völlig synchroner Atomuhren nachweisen. Die Uhr im Flieger trottet nach einigen Stunden im Jet zwar nur ein paar Milliardstel Sekunden hinter der Zwillingsuhr am Boden hinterher. Doch in Newtons Universum dürfte es diese Differenz nicht geben. In Einsteins Kosmos aber tritt sie auf, unübersehbar und in exakt jenem Maß, das die Theorie vorhersagt. Einstein selbst hat solche Experimente bis zu seinem Tod 1955 nicht mehr verfolgen können. An der Richtigkeit seiner Überlegungen aber zweifelte er trotzdem nicht. Kurz nachdem er 1905 sein Manuskript der "Speziellen Relativitätstheorie" zur Veröffentlichung eingereicht hatte, erreicht einen Freund diese Notiz: "Total besoffen leider beide unterm Tisch." Da ist es noch Mileva, mit der er feiert. Das Werk aber ist noch nicht vollendet. Denn Einsteins Universum fehlt noch die alles beherrschende Kraft: die Gravitation. Die "Allgemeine Relativitätstheorie" soll das richten. Als sie zehn Jahre später, im Spätherbst 1915, vor dem Abschluss steht, ist Mileva längst zurück in der Schweiz. Mit seiner verblüffenden Fähigkeit, die inneren Welten ohne Mühe zu wechseln, verhandelt Einstein zur selben Zeit darüber, wie er sich trotz Trennung mit seinen Söhnen treffen kann, schreibt gegen den Krieg an, trifft regelmäßig Elsa und knackt die härtesten mathematischen Nüsse seiner Karriere. Und wieder werden dabei Raum und Zeit verzerrt.

Jetzt aber ist es nicht die Geschwindigkeit, sondern die Masse eines Körpers, die Maßstäbe verbiegt und Uhren unterschiedlich schnell ticken lässt. Stellt man sich Raum und Zeit als ein gespanntes Gummituch vor – viel näher an die Wirklichkeit reicht unsere Vorstellungskraft nun mal nicht –, dann zeigt dieses Tuch eine Delle, sobald eine Kugel darauf abgelegt wird. Wie tief die Delle ist, hängt von der Masse der Kugel ab. Wir können uns auch noch vorstellen, dass eine kleinere Kugel von der trichterähnlichen Delle der ersten Kugel wie eine Murmel eingefangen wird, falls sie zu nah an der Delle vorbeikullert. Genau darin, im gekrümmten Raum und der verzerrten Zeit, sieht Einstein die Wirkung der Gravitation. Das ist die Kraft, die von einer Masse ausgeht. Die entscheidende Einsicht der Allgemeinen Relativitätstheorie ist also: Jeder Körper krümmt Raum und Zeit in seiner Umgebung entsprechend seiner Masse. Gravitation ist Geometrie.

Konkret heißt das nach viel komplizierter Mathematik zum Beispiel: Uhren gehen in der Nähe eines massereichen Körpers langsamer als in größerem Abstand. Dass eine solche Verzerrung der Zeit nicht reine Fantasie ist, beweist heute jeder GPS-Empfänger im Auto oder Smartphone. Zur Berechnung der eigenen Position wird dabei der genaue Ort von GPS-Satelliten zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt abgefragt. Allerdings kreisen die Satelliten in über 20 000 Kilometer Höhe. Da aber läuft die Zeit nach Einstein messbar schneller als am Boden. Wird das nicht berücksichtigt, gibt der GPS-Empfänger bereits nach einem Tag eine Position an, die etwa 10 Kilometer neben der tatsächlichen liegt. Kein Navi ohne Einstein.

Triumph in der Berliner Akademie

Ende November 1915 ist die Allgemeine Relativitätstheorie so gut wie vollendet. Noch Tage vor dem historischen Auftritt an der Akademie kämpft Einstein mit letzten mathematischen Schwierigkeiten. Dann, endlich, ist alles wie ein höllisch kompliziertes Puzzle zusammengefügt. "Die Feldgleichungen der Gravitation" steht über den nur dreieinhalb Seiten, auf denen Einsteins revolutionäre Theorie von Raum und Zeit mit mathematischer Knappheit zusammengefasst ist. In den Wochen vor dem 25. November 1915 hat er bereits einleitende Vorträge zum Thema gehalten. An diesem Nachmittag nun legt er sein Werk der Akademie vor. Allerdings darf man sich die wöchentlichen Sitzungen nicht zu feierlich vorstellen. Am Eingang greifen die Mitglieder gern zur frischen Abendzeitung. Sind die Neuigkeiten gelesen, kann man sich an großzügigen Tischen unerledigter Korrespondenz widmen oder auch untereinander beraten. "Es war im Allgemeinen nicht üblich, den Vorträgen Aufmerksamkeit zu schenken. Manche Vortragende kehrten der Gesellschaft den Rücken und beschrieben murmelnd die Tafel." Einstein scheint das nicht gestört, sondern amüsiert zu haben. Die Akademie findet er "mehr ulkig als ernst". Er weiß auch ohne den Beifall der Kollegen, was er geleistet hat. Bald wird es die ganze Welt wissen. "Die kühnsten Träume sind nun in Erfüllung gegangen", schreibt der Revolutionär der Physik einem engen Freund bald nach der Sitzung in Berlin. "Herzliche Grüße … von Deinem zufriedenen aber ziemlich kaputen Albert".

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