Einstein relativiert - gekrümmte Vorstellungen, gedehnte Wahrheiten

Anm. d. Red.: Dieser Artikel ist der erste Teil eines zweiteiligen Artikels, der im englischen NEXUS Vol. 14, No. 5 und 6 erschien, dessen Übersetzung aber nie von uns gedruckt wurde. Das englische Original finden Sie unter diesem Link; eine Übersetzung des zweiten Teils ist nicht geplant.

In einer Erklärung kurz nach dem Tod von Professor Albert Einstein am 18. April 1955 sagte der amerikanische Präsident Dwight Eisenhower:

„Kein anderer Mensch hat so viel zu dem enormen Wissenszuwachs im 20. Jahrhundert beigetragen.“

45 Jahre vor dem Ende des Jahrhunderts war er sich seiner Sache offenbar ziemlich sicher und fuhr fort:

„Niemand sonst verfügte bisher so bescheiden über die Macht des Wissens, niemand war überzeugter, dass Macht ohne Weisheit ins Verderben führt. Für alle, die im nuklearen Zeitalter leben, war Albert Einstein ein lebendiges Beispiel für die machtvollen kreativen Fähigkeiten des Individuums in einer freien Gesellschaft.“¹

Die Zeitschrift TIME ehrte ihn auf ihrem Titelbild vom 31. Dezember 1999 als „Persönlichkeit des Jahrhunderts“.²

Zu Lebzeiten erhielt Albert Einstein (1879-1955) wissenschaftliche Anerkennung für seine Theorien zur Brown’schen Molekularbewegung, zum photoelektrischen Effekt, zur Bose-Einstein-Statistik der Thermodynamik und natürlich vor allem für die Spezielle Relativitätstheorie (SRT, 1905) und die Allgemeine Relativitätstheorie (ART, 1915-16). Seine Erklärungen des photoelektrischen Effekts brachten ihm 1921 den Nobelpreis ein.³ Aufgrund seiner unzugänglichen und meist schwer erfassbaren Theorien wurde Einstein zum Sinnbild des mystischen Wissenschaftlers im Elfenbeinturm. Er war ein stiller und freundlicher Mensch, dessen schillernde Erscheinung und dessen kryptische Aussagen ihn zu einem Idol sowohl für Wissenschaftler und Science-Fiction-Autoren als auch für den einfachen Mann auf der Straße machten.

Dennoch gab es schon zu Einsteins Lebzeiten Menschen, die seine Größe anzweifelten, und mehr als 50 Jahre nach seinem Tod, wo sein Ruhm nun gesichert scheint, treten erneut diejenigen auf den Plan, die die Relativitätstheorie zu kritisieren wagen.⁴ Im Folgenden erfahren Sie einige Gründe dafür.

Die Äther-Kontroverse

Die Ursache für Einsteins mythischen Ruhm, und möglicherweise für seinen bevorstehenden Fall, ist eine geheimnisvolle Substanz namens „Äther“. Der Äther wurde bereits im 5. Jahrhundert vor Christus in verschiedenen Werken griechischer, ägyptischer und indischer Philosophen beschrieben.⁵ Ihren Vorstellungen nach ist der Äther die feinste Substanz der Schöpfung – die Mutter aller Phänomene. Der Philosoph Anaxagoras vermutete schon zu jener Zeit, dass Atome Wirbel innerhalb des Äthers seien – ein Konzept, das 2.500 Jahre später von dem genialen schottischen Physiker William Thomson alias Lord Kelvin (1824-1907) erneut aufgegriffen wurde.⁶

Die Gründe für eine Wiederbelebung dieser alten Konzepte waren bestimmte Weiterentwicklungen in der Wissenschaft. Im frühen 19. Jahrhundert hatten Michael Faraday und Hans Oersted den Elektromagnetismus entdeckt, und in der Mitte desselben Jahrhunderts bewies Dr. Hermann Helmholtz (1821-94), dass diese Kräfte sich im „leeren Raum“ in Form von Wellen ausbreiten. Wissenschaftliche Koryphäen wie Michael Meyerson, Lord Kelvin und Robert Young wetteiferten daraufhin um die beste Erklärung für diese Phänomene, doch den Sieg trug schließlich James Clerk Maxwell (1821-79) davon. 1864 stellte er seine Theorie eines „mechanischen Äthers“ vor – einer unsichtbaren, ätherischen Substanz, elastisch und voller kleiner „Räder im Leerlauf“. Der Magnetismus wurde als Wirbel in diesem Äther aufgefasst, die Elektrizität dagegen als Verformung der Wirbel und Räder. Durch einen kontinuierlichen Verformungs- und Rotationsprozess konnte der Elektromagnetismus in vier fundamentalen Gleichungen ausgedrückt und erklärt werden, die heute als Maxwell’sche Gleichungen bekannt sind.⁷

Diese Gleichungen und das Bild, das sich aus der Theorie des „mechanischen Äthers“ ergab, wurde für die Wissenschaft des 19. Jahrhunderts zu einer einträglichen Goldmine: Zahlreiche Phänomene konnten zufriedenstellend beschrieben werden, und das Licht konnte schließlich als elektromagnetische Welle mit ultrakurzen Wellenlängen erklärt werden.

Mit diesem theoretischen Gerüst begannen die Wissenschaftler nun eine Diskussion über den Äther, aus der drei Lehrmeinungen hervorgingen: (1) die Erde durchquert ein unbewegliches Äthermeer, (2) die Erde führt den Äther mit sich, und (3) der Äther selbst ist in Bewegung. Die hitzigen Debatten zwischen den Anhängern dieser drei Lehrmeinungen verlangten nach einem endgültigen Beweis, doch dieser war nur mit entsprechender Technik möglich. Bis in die 1880er Jahre gab es keine zuverlässigen mechanischen Geräte, doch dann konstruierte Professor Albert Michelson (1852-1931) von der Case University in Cleveland, USA, sein Interferometer, das bis aufs Millionstel genau funktionierte. Ein solches Gerät ist in der Lage, Unterschiede zwischen zwei eintreffenden Lichtstrahlen als geometrische Interferenzmuster darzustellen – Muster also, die entstehen, wenn verschiedene Lichtstrahlen auf denselben Punkt treffen und sich je nach Phasenlage entweder verstärken oder abschwächen.

Dem berühmten Michelson-Morley-Experiment lag folgende Idee zugrunde: Zwei Lichtstrahlen werden verschiedene Wege entlanggeführt, die nach irdischen Maßstäben gleich lang sind – mit dem einzigen Unterschied, dass der eine Strahl in der Bewegungsrichtung der Erde durch das „Äthermeer“ und der andere Strahl quer dazu verläuft. Spiegel und Prismen sorgen dafür, dass die zwei Lichtstrahlen schließlich am gleichen Punkt aufeinander treffen. Würden die Lichtwellen entlang der Bewegungsrichtung der Erde durch das Äthermeer beschleunigt, und die Lichtwellen quer zur Erdbahn nicht beeinflusst, dann kämen diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten an – vorausgesetzt, die Ätherwellen, die wir als Licht bezeichnen, hätten in unterschiedlichen Richtungen auch unterschiedliche Geschwindigkeiten. Dann würde der Beobachter eine Abschwächung des Lichts wahrnehmen, da die Wellen versetzt einträfen und eine negative Interferenz erzeugten.

Als treuer Anhänger der statischen Äthertheorie handelte Michelson streng nach diesem Modell. Er argumentierte, dass der Äther alle – schwere und leichte – Objekte durchdringt, und daher auch die Geschwindigkeiten der sich ausbreitenden Lichtwellen auf die genannte ART beeinflusst. Um sein Konzept zu überprüfen und festzustellen, ob es irgendeinen Unterschied zwischen einem parallel und einem senkrecht zur Erdbewegung ausgerichteten Lichtstrahl gibt, stellte er sein Interferometer im Keller des Universitätsgebäudes auf. Michelson und sein Kollege Edward Morley (1838-1923) nahmen an, dass der Lichtstrahl in entgegengesetzter Richtung zur Erdbewegung verlangsamt und derjenige in gleicher Richtung zur Erdbewegung beschleunigt würde, während der Strahl, der die Bewegung der Erde kreuzte, unbeeinflusst bliebe. Sie berechneten, dass diese Unterschiede bei einem Millionstel der Wellenlänge des Lichts nachweisbar sein müssten. Nach nur 36 Messungen innerhalb von drei Tagen gaben Michelson und Morley bekannt, dass es zwar messbare Unterschiede gäbe, diese aber zu klein seien, um die Theorie eines statischen Äthers zu bestätigen.⁸ Später ging es als das berühmte „Nullexperiment von 1887“ in die Geschichte ein – doch gab es tatsächlich kein Ergebnis? Was bewies das Experiment und was nicht?