- Astronomie im Berchtesgadener Land -

Monatsthema April 2005: "Albert Einstein und die Komologie"

Über Albert Einstein wird in diesem Jahr - seinem 50. Todesjahr und dem 100. Jahr seit der Veröffentlichung seiner speziellen Relativitätstheorie - viel geschrieben. Wir wollen uns mit einigen astronomischen Aspekten seiner Entdeckungen beschäftigen.

Seine Erkenntnisse läuteten eine neue Ära in der Physik ein, die zwar nicht auf ihn allein, sondern auch auf einige andere Physiker zurückgehen. Ihm gelang der Durchbruch, indem er den Zusammenhang zwischen Raum und Zeit herstellte und die Äquivalenz von Masse und Energie postulierte.

Bis dahin war die Zeit als universelle, gleichmäßig ablaufende Größe angesehen worden. Die immer genaueren Messmethoden und die genauere Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit c und insbesondere die Erkenntnis, dass diese gleich ist, egal wie schnell sich die Lichtquelle bewegt (von Maxwell ca. 1863 vorausgesagt und von Michelson 1881 bewiesen), wiesen auf Fehler in der klassischen Vorstellung hin, für die es keine Erklärung gab. Diese hatte man bis dahin durch die Existenz eines "Äthers", der den gesamten Raum ausfüllen sollte, zu erklären versucht.

Am einfachsten kann man sich das Problem vorstellen, wenn man ein und denselben physikalischen Vorgang von zwei verschiedenen gleichmäßig zueinander bewegten Bezugsystemen aus vergleicht. Das klassische Beispiel ist eine Bewegung in einem fahrenden Zug. Für den Beobachter außerhalb kommt zu jeder dieser Bewegungen die Geschwindigkeit des fahrenden Zugs dazu - auch für die Bewegung des Lichts, das aber führt zu einem Widerspruch in der Newtonschen Physik.

Seit Newton ist man davon ausgegangen, dass sich die Anziehungskraft zwischen den Massen augenblicklich auswirkt. Doch mit der Erkenntnis, dass nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein kann, musste man diese Vorstellung aufgeben. Zieht eine Masse durch das Universum, so krümmt sie durch ihre Anwesenheit den Raum - genauso wie eine Metallkugel eine gespannte Gummihaut eindrückt und dadurch eine umlaufende Kugel in dieser Kuhle auf einer Bahn hält. Zum Beispiel wird der Mond durch die Raumkrümmung, welche die Erde hervorruft, auf seiner Bahn gehalten.

Im Jahr 1905 veröffentlichte Einstein als Angestellter des Patentamtes in Bern vier Arbeiten, welche die Physik revolutionierten, darunter die spezielle Relativitätstheorie und die berühmte Formel e = mc2. Zehn Jahre später setzte er durch die Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie noch eins drauf und konnte damit die bis dahin unerklärbaren Schwankungen in der Bahnbewegung von Planeten erklären. Im September 1909 hielt er in Salzburg bei dem Kongress Deutscher Naturforscher und Ärzte einen Vortrag, in dem er die gleichzeitige Wellen- und Teilchennatur des Lichts begründete.

Welche Folgen hatten Einsteins Erkenntnisse für die Astronomie?

Zunächst ist da die Lichtgeschwindigkeit. Daraus lässt sich folgern, dass die Zeit in bewegten Systemen im Vergleich zu ruhenden Systemen langsamer abläuft. Dieser Effekt, wird erst bei hohen Geschwindigkeiten nennenswert und es brauchte dafür einige Zeit und viel genauere Uhren, bis man ihn durch Messungen bestätigen konnte. Andrerseits laufen Uhren umso schneller, je weiter sie vom Massezentrum (z.B. der Erde) entfernt sind.

Ein weiterer Effekt ist die Ablenkung des Lichts durch große Massen. Am 29. Mai 1919 konnte der englische Astronom Arthur Stanley Eddington die von Einstein vorhergesagte Lichtablenkung bei einer Sonnenfinsternis, die er auf der Vulkaninsel Principe im Golf von Guinea in Westafrika beobachtet hatte, bestätigen. Während einer Sonnenfinsternis verdeckt der Mond für kurze Zeit die Sonne, so dass man bei Tag Sterne in der Nähe der Sonne beobachten kann. Die genauen Messungen ergaben, dass ihre Position gegenüber der normalen Beobachtung um den vorhergesagten Betrag abwich. Mit den heute vorhandenen besseren Geräten kann man die Ablenkung des Lichts von massereichen, fernen Objekten (Galaxien und Quasare) durch nähere Galaxien beobachten: es entstehen die Einsteinschen Ringe.

Bei den Bahnen der Himmelskörper konnten die bisherigen Diskrepanzen zwischen Beobachtung und Berechnungen erklärt und beseitigt werden. Die Raumfahrt mit den komplizierten Bahnberechnungen der Sonden wäre ohne sie nicht denkbar. Die Beeinflussung des Lichts durch die Gravitation führte auch zu der Möglichkeit der Existenz von Schwarzen Löchern -Massekonzentrationen, die so groß und kompakt sind, dass selbst das Licht sie nicht verlassen kann - die inzwischen in immer größerer Anzahl gefunden werden, auch wenn sie nur indirekt durch ihre Beeinflussung der Umgebung gefunden werden können.

1917 entwirft Einstein ein geschlossenes Modell vom Kosmos. Um ein statisches Modell zu ermöglichen, muss er eine zusätzliche Größe - die kosmologische Konstante - in seine Gleichungen einfügen. Sie wird später von Einstein wegen der astronomischen Hinweise auf die Fluchtbewegung der extragalaktischen Nebel wieder verworfen. Heute bekommt sie erneut eine Bedeutung wegen der Verbindung der Frühphase des Kosmos mit Theorien der Elementarteilchenphysik im inflationären Modell des Universums.

Gerardo Inhester

Zum Sternenhimmel April 2005

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