Irrte Einstein? - wissenschaft.de
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Irrte Einstein?

Das Mäkeln an der Relativitätstheorie kommt in Mode. Albert Einstein gilt als Jahrhundertgenie. Doch es regt sich Kritik: Ein neues Buch versucht, Einsteins erfolgreichstes Werk – die Relativitätstheorie – mit alten Behauptungen aus den Angeln zu heben.

Raum und Zeit bilden eine Einheit, bei hohen Geschwindigkeiten verkürzt sich der Raum, verlangsamt sich die Zeit. Aber das stimmt nicht: Einstein müßte seine berühmte Arbeit aus dem Jahr 1905 eigentlich zerreißen.“

Keine andere Publikation in der deutschen Presselandschaft hat es je gewagt, Einsteins Spezielle Relativitätstheorie so abzukanzeln, wie es die populärwissenschaftliche Zeitschrift P.M. in ihrer Oktober-Ausgabe getan hat. Unter dem Titel „Der Verriß“ werden Beweise vorgelegt, die die Relativitätstheorie angeblich widerlegen. Als Kronzeuge dienen die beiden Physiker Georg Galeczki und Peter Marquardt, die in ihrem kürzlich erschienenen Buch „Requiem für die Spezielle Relativität“ (Haag und Herchen Verlag, Köln) alles zusammengetragen haben, was gegen Einsteins Werk zu sprechen scheint.

Sie behaupten, daß etliche Experimente, die die Relativitätstheorie stützen, schlampig ausgeführt oder falsch interpretiert wurden. Mehr noch: Die herrschende Mehrheit der Physiker hätte sich seit Jahrzehnten einer kritischen Diskussion widersetzt und andere Meinungen gezielt unterdrückt, sagen die Autoren. „Schuld daran ist das menschliche Verhalten“, beklagt Galeczki gegenüber bild der wissenschaft. Ambitionen, persönliche Interessen oder Rache seien die Gründe, warum sich die herrschende Physiker-Kaste weigere, sich mit alternativen Theorien zu beschäftigen. Galeczkis Argument ist altbekannt: Schuld sind die anderen, die vor der Wahrheit die Augen verschließen; sich selbst sieht man gern als Märtyrer.

Mit ihrer Attacke liegen Galeczki und Marquardt im Trend: Fast wöchentlich trudeln in der Redaktion von bild der wissenschaft Manuskripte ein, in denen die Ignoranz des Wissenschaftsbetriebs angeprangert und auf wenigen Seiten das „falsche“ Weltbild durch ein neues ersetzt wird. Häufigstes Ziel der Angriffe: Albert Einstein und seine Relativitätstheorie.

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Meist reicht ein kurzer Blick, um zu erkennen, daß diese Manuskripte das Papier nicht wert sind, auf denen sie gedruckt sind. Häufigstes Problem: Die „Hobbyphysiker“ haben die Relativitätstheorie nicht verstanden. Und weil man die Theorie so schlecht verstehe und sie so voller Widersprüche zum menschlichen Verständnis stecke, so die Argumentation, könne sie auch nicht richtig sein. Doch eine Theorie, die der Laie nicht versteht, muß noch lange nicht falsch sein.

Galeczki, früher Professor in Haifa, Israel, ist dagegen Wissenschaftler mit solider Physik-Ausbildung. Das bestätigt auch Prof. Günter Nimtz von der Universität Köln, der selbst mit seinen Experimenten zur Überlichtgeschwindigkeit bei den meisten seiner Kollegen angeeckt ist. Nimtz hat Galeczki und Marquardt nach ihrer Promotion in Köln betreut. „Hochgebildete Spinner“, lautet Nimtz‘ zwiespältiges Urteil. An dem Anti-Relativitätsbuch läßt Nimtz kein gutes Haar: „Das Buch ist aberwitzig und entspricht nicht der Wahrheit.“

Laien haben es schwer, in dem Werk die Knackpunkte zu finden – zu geschickt gehen die Autoren zu Werke. Nach einer polemischen Einführung, die den fehlenden wissenschaftlichen Diskurs in Sachen Relativitätstheorie bemängelt, bombardieren sie den Leser mit der plausibel erscheinenden Beschreibung von Experimenten, die ursprünglich Einstein gestützt hatten, nun aber auf einmal falsch sein sollen. Erst beim näheren Hinsehen offenbart sich, wie die Autoren Details unterschlagen, Logik verdrehen oder Zitate aus dem Zusammenhang reißen.

Beispiel: der Äther. In einem berühmten Experiment von 1881 wollten Albert Michelson und Edward Morley den sogenannten Ätherwind nachweisen, ein unsichtbares Medium, das nach damaligem Verständnis die Ausbreitung des Lichts ermöglichen sollte.

Die Lichtgeschwindigkeit sollte davon abhängen, ob sich ein Lichtstrahl parallel gegen den Ätherwind bewegt und dabei wie ein Auto im Gegenwind gebremst wird, oder ob sich das Licht quer zum Ätherwind – ungebremst – ausbreitet.

Um die These zu prüfen, schickten die beiden Physiker zwei Lichtstrahlen auf zwei gleichlange Wege – den einen in die Richtung, in der sich die Erde bei ihrer Bahn um die Sonne durchs All bewegt (Gegenwind), den anderen senkrecht dazu. Doch die beiden Physiker fanden keinen Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit. Galeczkis Argument, Michelson und Morley hätten die Ergebnisse manipuliert, indem sie die Fehlerabweichung falsch interpretiert hätten, ist wenig glaubwürdig, denn die beiden hätten als Befürworter der Äthertheorie liebend gerne etwas anderes gemessen.

Zur Verdrehung der Tatsachen kommen historische Ungenauigkeiten. Das Experiment von 1881 wurde nämlich nur von Michelson ausgeführt, Morley wiederholte es erst 1887 – übrigens wieder mit dem gleichen Resultat. Weitere Versuche zum Ätherwind, die 1926 von dem Physiker Kennedy und 1930 von seinem Kollegen Joos in Jena unternommen wurden, unterschlagen Galeczki und Marquardt ebenso wie die Präzisionsmessungen mit Lasern aus neuerer Zeit, die zweifelsfrei ergeben haben, daß sich das Licht in alle Richtungen gleichschnell ausbreitet. Statt dessen zitieren sie das Experiment von Dayton Miller, der 1933 eigens auf einen Berg stieg, wo er einen besonders frei fließenden Äther vermutete – eine Annahme, die Millers Naivität zeigt und die schon einige Jahre zuvor von Picard und Stahel bei einem Ballon-Experiment widerlegt wurde. Die Behauptung, es gebe doch einen Ätherwind, ist damit ebenso nichtig wie die Schlußfolgerung, die Relativitätstheorie sei falsch. Denn Einstein hatte aus Michelson und Morleys Ergebnissen auf die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit geschlossen.

Wenig zimperlich gehen Galeczki und Marquardt auch mit anderen experimentellen Fakten um: So weisen sie auf Schwachpunkte in Messungen aus den fünfziger Jahren hin, bei denen bewiesen wurde, daß bestimmte Elementarteilchen – die Myonen – länger leben, wenn sie mit fast Lichtgeschwindigkeit durch die Atmosphäre rasen. Komplementäre Versuche in großen Teilchenbeschleunigern zu der von Einstein postulierten Zeitdehnung haben die Ergebnisse glänzend bestätigt. Sie werden zwar erwähnt, aber mit fadenscheinigen Argumenten wie angeblichen Unstimmigkeiten im Teilchendetektor abgewertet.

Die Methode der Autoren, unwichtige Details hochzuspielen und damit Wichtiges madig zu machen, gipfelt in dem Versuch, Einstein vermeintlich widersprüchliche Zitate in die Schuhe zu schieben. So soll der bekannteste Physiker aller Zeiten 1920 gesagt haben: „Ein Raum ohne Äther ist undenkbar“, und damit seinen Annahmen von 1905 widersprochen haben. Tatsache ist, daß Einstein mit „Äther“ nicht mehr den geheimnisvollen Wind meinte, der nach Michelson und Morleys Verständnis durchs All wehen sollte. 1922 wurde Einstein präziser: „Man sollte den Äther ersetzen durch Strukturen im Raum. Der neue Äther ist kein Stoff, der fließt.“ Was Einstein meinte: Auch im Vakuum gibt es Strukturen – genauer: Energiefelder – die Kräfte vermitteln. Daß aus diesen Feldern sogar Teilchen wie aus dem Nichts entstehen können, ist heute Standardwissen der Quantenmechanik.

Daß Galeczki und Marquardt in ihrem Buch nur das erwähnen, was ihnen ins Konzept paßt, stört auch Prof. Hubert Goenner, Experte für Spezielle Relativitätstheorie an der Universität in Göttingen: „Die Autoren leiden offensichtlich an selektiver Wahrnehmung.“

Besonders ärgert sich Goenner über Sätze wie diesen: „Der klassische Doppler-Effekt ist eine idealisierte kinematische Beschreibung, welche die physikalische Kopplung zwischen Beobachter und Quelle vernachlässigt. Er existiert daher nicht“, heißt es im Buch. Dabei wird weder erklärt, was der „klassische Doppler-Effekt“ ist, noch wird gesagt, was unter „physikalischer Kopplung“ zu verstehen ist. „Das ist eine unwiderlegbare Behauptung der Art ,Wenn meine Katze einkaufen könnte, würde sie Whiskas kaufen`“, ärgert sich Goenner.

Das größte Manko des Buches, neben all den Behauptungen und Verdrehungen, ist aber, daß Galeczki und Marquardt keine Alternative anbieten. Angenommen, Einsteins Relativitätstheorie wäre falsch, welche Theorie ist dann richtig? Denn Massenzunahme, schrumpfende Längen- und Zeitintervalle für relativ zueinander bewegte Beobachter sind Effekte, die hundertfach bewiesen sind und in der Kernenergie, Elementarteilchenforschung oder Astronomie zum Alltag gehören. Das Navigationssystem GPS (Global Positioning System) wäre ohne Einsteins Schaffen undenkbar. Keine Theorie hat all diese Prüfsteine bisher so gut gemeistert wie die Relativitätstheorie (siehe „Die Experimente bestätigen…“, Seite 44). Was nicht heißt, daß nicht doch einmal eine neue Theorie kommen könnte. Diese würde aber sicher nicht Einstein widerlegen, sondern die Relativitätstheorie als Spezialfall enthalten – so wie die Relativitätstheorie Newtons Bewegungsgesetze als Spezialfall enthält.

Daß die Physiker durchaus nach einer solchen Theorie Ausschau halten, bestätigt Hubert Goenner: „Die Relati-vitätstheorie ist keine Religion, kein Dogma.“ Der „dunkle Punkt“ in Einsteins Arbeiten sei die bislang nicht gelungene Verknüpfung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik, die als zweite wichtige Säule der Physik gilt.

Bauchschmerzen bereiten den Physikern auch die Vorgänge in Schwarzen Löchern und beim Urknall, wo Materie extrem dicht zusammengepreßt ist. In diesen Extrembereichen der Physik liefert die Relativitätstheorie bisher keine vernünftigen Erklärungen.

Doch das sind die Probleme der Fachleute – Journalisten haben mit anderen Schwierigkeiten zu kämpfen: Wie können sie seriöse Wissenschaftler von Hochstaplern unterscheiden? Eine Antwort könnte lauten: Beide Seiten fragen und nicht – wie in P.M. geschehen – die Meinung der Mehrheit einfach ignorieren. Außerdem gilt bei Attacken gegen die Relativitätstheorie erhöhte Vorsicht, weil ihr nach unserer Alltagserfahrung selbst heute noch revolutionär anmutender Inhalt in Verbindung mit dem einzigartigen Genie Einstein den Widerspruch geradezu herausfordert.

Die Experimente bestätigen:Einstein hatte recht

Die Relativitätstheorie ist – neben der Quantentheorie – eines der Fundamente der modernen Physik. Mit seiner Speziellen Relativitätstheorie hat Albert Einstein 1905 die Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante erkannt und unsere Vorstellung von Raum und Zeit revidiert. Gleichzeitigkeit und die Abfolge von Ereignissen erwiesen sich als abhängig von dem jeweiligen Bezugssystem, von denen keines irgendwie ausgezeichnet ist. Vor allem aber war es Einstein gelungen, die unversöhnlichen Gegensätze im Formalismus der klassischen Mechanik und der Elektrodynamik zu überwinden. Mit seiner 1915/16 veröffentlichten Allgemeinen Relativitätstheorie hat Einstein auch die Wechselwirkungen von Raum, Zeit, Masse und Energie sowie beschleunigte Bewegungen und die Schwerkraft beschrieben.

Die Periheldrehung

Die meisten relativistischen Effekte sind sehr klein und entsprechend schwierig zu messen. bild der wissenschaft hat die wichtigsten Experimente zusammengestellt.

Michelson-Morley-Experiment:

Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant und beträgt unabhängig von der Bewegung des Bezugssystems 299792,458 Kilometer pro Sekunde, wie Experimente seit 1881 mit immer größerer Präzision bewiesen haben. Diese Entdeckung war einer der Anstöße für Einsteins Spezielle Relativitätstheorie und ihre erste empirische Stütze.

Zeitdilatation:

Je schneller sich ein System relativ zu einem anderen bewegt, desto stärker wird die Zeit dieses dahinrasenden Systems gedehnt – das heißt, sie vergeht langsamer. Für Licht gibt es keine Zeit mehr, überlichtschnelle Teilchen würden sich, falls sie existieren, von unserer Zeit aus gesehen nicht in die Zukunft, sondern in die Vergangenheit bewegen. Myonen, schwere Geschwister der Elektronen, haben eine Halbwertszeit von 1,5 millionstel Sekunden. Als man 1976 Myonen auf 99,94 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigte, stellte sich heraus, daß sie tatsächlich rund 29mal länger existieren.

Längenkontraktion:

Nahe der Lichtgeschwindigkeit erfahren bewegte Körper eine Verkürzung in Bewegungsrichtung. Dieser Effekt wurde im Labor und anhand der jährlichen Bewegung des Erde-Mond-Systems bislang nur indirekt bestätigt.

Optischer Doppler-Effekt:

Wie bei bewegten Schallquellen werden auch die Wellenlängen des Lichts ins Blau verschoben, wenn sich ein Objekt dem Beobachter nähert, oder ins Rot, wenn es sich entfernt. Durch Experimente und astronomische Beobachtungen sind die Spektralverschiebungen seit langem glänzend dokumentiert.

Relativistische Aberration:

Schnelle Teilchen, zum Beispiel Elektronen, senden Strahlung vor allem in Bewegungsrichtung aus und erscheinen aus einem bestimmten Winkel betrachtet besonders intensiv. Diese Synchrotronstrahlung läßt sich im Weltall nachweisen und im Labor erzeugen.

Äquivalenz von Masse und Energie:

Beide Eigenschaften sind verschiedene Seiten derselben Medaille und werden durch die berühmte Formel E=mc2 verknüpft. Deshalb kann Masse in Energie umgewandelt werden, wie die Kernspaltung und -verschmelzung in den Kernreaktoren und -bomben beweisen.

Relativistische Massezunahme:

Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto mehr Energie braucht seine Beschleunigung und um so massereicher wird das Objekt. Elektronen, die man mit 20,5 Milliarden Volt beschleunigt, erreichen deshalb nicht die 283fache Lichtgeschwindigkeit, wie es die klassische Physik vorhersagt, sondern sie sind 0,15 Meter pro Sekunde langsamer als das Licht. In Laborexperimenten wurde die Massezunahme mit einer Abweichung von weniger als 1 zu 10000 von den vorausgesagten Werten bestätigt.

Gleichheit von träger und schwerer Masse:

Einstein erklärte diese bereits bekannte Tatsache dadurch, daß eine konstante Beschleunigung und ein konstantes Gravitationsfeld ununterscheidbar sind. Inzwischen wurde diese Äquivalenz mit einer Genauigkeit von eins zu zehn Billionen bestätigt. Maßgeblich waren hierfür auch hochgenaue Bestimmungen der Mondentfernung mittels Laserstrahlen, die von Spiegeln zur Erde zurückgeworfen werden.

Periheldrehung der Planeten:

Gegenseitige Störungen der Planeten führen dazu, daß sich die Ellipsenbahnen verbeulen („Residuen“). Außerdem war schon vor Einstein bekannt, daß sich der sonnennächste Punkt einer Planetenbahn („Perihel“) mit jedem Umlauf etwas in der Bahnebene verschiebt. Bei dem sonnennächsten Planeten Merkur ist dieser Effekt mit einer Verschiebung von 43 Bogensekunden besonders stark ausgeprägt.

Lichtablenkung im Schwerefeld:

Licht nimmt immer die kürzeste Strecke zwischen zwei Punkten, wird von Massekonzentrationen jedoch gleichsam auf die krumme Bahn gebracht. Masse verändert („krümmt“) nämlich die Geometrie des Raumes. Dadurch erscheint ein Objekt, dessen Strahlung am Schwerefeld eines massiven Körpers vorbeikommt, geringfügig gegenüber seiner „wahren“ Position am Himmel verschoben.

Der Michelson-Morley-Versuch Hängt die Lichtgeschwindigkeit davon ab, ob sich das Licht parallel oder senkrecht zur Erdbahn ausbreitet? Michelson und Morley fanden, daß das Licht in beiden Armen ihrer Apparatur gleichschnell läuft.

Dieser Effekt, von Einstein bereits 1911 vorhergesagt, wurde erstmals 1919 während einer totalen Sonnenfinsternis beobachtet, als man Sterne, die eigentlich hinter der Sonne standen, noch außerhalb ihres vom Mond abgedeckten Randes fotografierte. Inzwischen ist die Lichtablenkung mit Hilfe von Quasaren auf Bruchteile von Bogensekunden genau bestimmt worden.

Shapiro-Effekt:

Aufgrund der Abweichung von der Geraden braucht Licht, das in einem Schwerefeld auf krumme Wege gerät, für diese längere Strecke geringfügig mehr Zeit. Das kann mit Radarechos gemessen werden. Steht zum Beispiel die Venus dicht am Sonnenrand hinter der Sonne, beträgt die Laufzeit des Radarstrahls zusätzlich zu den 1920 Sekunden noch 200 millionstel Sekunden mehr, was einer verlängerten Wegstrecke von 60 Kilometern entspricht.

Gravitationslinseneffekt:

Die Schwerkraft kann von fernen Lichtquellen (Galaxien oder Quasaren) sogar Doppel- und Mehrfachbilder vorgaukeln, wenn eine sogenannte Gravitationslinse – zum Beispiel ein Galaxienhaufen – dazwischen liegt. Seit 1979 hat man fast zwei Dutzend dieser optischen Täuschungen entdeckt. Es wurden sogar „Einsteinringe“ beobachtet, die entstehen, wenn die Gravitationslinse exakt vor dem Hintergrundobjekt liegt und dessen Strahlung gleichsam auffächert. Einstein hat darüber bereits 1912 Vermutungen angestellt, seine Überlegungen aber erst 1936 auf Drängen eines Bekannten publiziert, weil er bezweifelte, daß dieser Effekt jemals beobachtet werden könnte.

Gravitationsrotverschiebung:

Photonen verlieren im Schwerefeld Energie. Ihre Wellenlänge wird deshalb größer, und zwar um so mehr, je stärker der Einfluß der Gravitation ist. Dieser Effekt wurde auf der Erde in verschiedenen Höhen erstmals 1960 und mit Raumsonden seit 1976 experimentell bestätigt.

Zeitdilatation im Gravitationsfeld:

Nicht nur hohe Geschwindigkeiten, sondern auch die Schwerkraft dehnt die Zeit. Uhren auf der Erdoberfläche ticken also geringfügig langsamer als in einem Flugzeug oder im Weltraum (der Unterschied beträgt nur einige milliardstel Sekunden). Mit Hilfe von Atomuhren wurde dieser Effekt seit den siebziger Jahren gut dokumentiert. 1985 konnte er außerdem im Rahmen des NAVEX-Experiments an Bord eines Space Shuttle sehr genau bestätigt werden.

Gravitationswellen:

Beschleunigte – zum Beispiel rotierende – Massen strahlen Gravitationswellen ab. Das sind winzige Oszillationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Zur Zeit werden auf der Erde drei Gravitationswellendetektoren gebaut. Indirekt ist der Nachweis von Gravitationswellen bereits geglückt und 1994 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt worden. 1974 wurden nämlich im Sternbild Adler zwei Neutronensterne entdeckt, die sich gegenseitig umkreisen. Von einem können wir in extremer Regelmäßigkeit Radiostrahlung empfangen – inzwischen mit einer Genauigkeit von drei millionstel Sekunden. Als hochgenaue „Uhr“ ermöglichte dieser als „PSR1913+16“ bekannte Pulsar deshalb zum ersten Mal einen Test der Relativitätstheorie für starke Gravitationsfelder. Außerdem entdeckte man, daß die Bahnen der Neutronensterne um drei Millimeter pro Umlauf schrumpfen.

Geodätische Präzession:

Absolute Trägheitsachsen wie in der klassischen Mechanik existieren in der Relativitätstheorie nicht. Deshalb sollten Erde und Mond einer komplizierten, aber minimalen Kreiselbewegung ausgesetzt sein. Sie beträgt zwar nur zwei Bogensekunden pro Jahrhundert, wurde aber mit einer Genauigkeit von besser als einem Prozent gemessen.

Lense-Thirring-Effekt:

Eine weitere Voraussage der Allgemeinen Relativitätstheorie besagt, daß ein rotierender, massiver Körper gewissermaßen die ihn umgebende Raumzeit bei der Drehung mitschleppt. Dieser Effekt wurde erstmals 1997 bei Schwarzen Löchern, einem Neutronenstern und in den Erdumlaufbahnen der Lageos-Satelliten entdeckt. Zu seiner genauen Überprüfung wird extra ein Satellit gebaut: Gravity Probe B. Er soll im Jahr 2000 starten und auch die gravitomagnetischen Effekte studieren.

1921 hat Einstein betont, daß seine Theorie „nicht spekulativen Ursprungs ist, sondern ihre Entdeckung durchaus nur der Bestrebung verdankt, die physikalische Theorie den beobachteten Tatsachen so gut als nur möglich anzupassen“. Alle Experimente und Beobachtungen seither haben die Vorhersagen der Relativitätstheorie bestätigt. Viele alternative Theorien, die beispielsweise von einer Veränderung der Gravitationskonstante oder einer masseabhängigen Trägheit ausgehen, haben dagegen die Feuertaufe wissenschaftlicher Überprüfungen nicht überstanden. Die Relativitätstheorie wirkt sich sogar auf unseren Alltag aus. Wer sich zum Beispiel Satellitenprogramme im Fernsehen ansieht, profitiert von Einsteins Leistung.

Bernd Müller

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