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Krumm ist alle Theorie

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Eine Tasse Kaffee rutscht uns aus der Hand, fällt zu Boden und zerspringt. Beim Abschlag des Torwarts beschreibt der Ball eine gekrümmte Kurve und kommt nach einigen Dutzend Metern im Spielfeld auf. Der Mond rast mit 3700 Kilometern pro Sekunde um die Erde, ohne daß er nach außen geschleudert wird. Warum? Ganz klar: Weil sich zwei Körper aufgrund der Schwerkraft (oder Gravitation) gegenseitig anziehen.

Aber wie „funktioniert“ die Gravitation? 200 Jahre lang hatte sich die Theorie des britischen Physikers Isaac Newton gehalten. Newton dachte sich die Gravitation als eine Kraft, mit der sich alle Körper gegenseitig anziehen, so als wären zwischen ihnen unsichtbare Gummibänder gespannt. Seiner Meinung nach überbrückt diese Kraftwirkung ohne Zeitverlust jede noch so große Distanz im Raum. Als Albert Einstein Anfang dieses Jahrhunderts über die Schwerkraft nachdachte, behagte ihm Newtons Theorie nicht. Zum einen widersprach sie seiner neuen Erkenntnis, daß sich keine Information schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann. Der entscheidende Gedanke kam Einstein an einem Tag Ende Oktober / Anfang November des Jahres 1907. „Ich saß auf meinem Stuhl im Patentamt in Bern“, erinnerte er sich später. „Plötzlich hatte ich einen Einfall: Wenn sich eine Person im freien Fall befindet, wird sie ihr eigenes Gewicht nicht spüren. Ich war verblüfft. Dieses einfache Gedankenexperiment machte auf mich einen tiefen Eindruck. Es führte mich zu einer Theorie der Gravitation.“

An einem Tag im Patentamt Warum diese Tatsache so verblüffend ist, läßt sich leichter einsehen, wenn man das Gedankenexperiment etwas abändert: Angenommen, ein Physiker steht in einem geschlossenen Kasten und hält einen Stein in der Hand. Läßt er ihn los und der Stein fällt zu Boden, gibt es dafür zwei Erklärungen: Der Kasten könnte auf der Erdoberfläche stehen, so daß der Stein aufgrund der Schwerkraft fällt. Der Physiker könnte sich aber genausogut in einem Raumschiff befinden und entgegen der Fallrichtung des Steines konstant beschleunigt werden. Der Forscher hat keine Chance, zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden, solange er nicht nach draußen schauen kann.

Dieses Gedankenspiel offenbarte Einstein eine tiefe Wesensverwandtschaft zwischen einer beschleunigten Bewegung und der Schwerkraft. Es barg den „Schlüssel für ein tieferes Verständnis der Trägheit und Gravitation“.

Schon Newton war dies im Grunde bekannt: Die Gravitation verleiht der Materie eine schwere Masse, die sich beispielsweise mit einer Federwaage messen läßt. Andererseits besitzt ein Körper auch eine träge Masse, mit der er sich Beschleunigungen widersetzt. Schwere und träge Masse sind gleich groß, wie Experimente immer wieder bestätigten. Eine physikalische Erklärung hierfür hatten die Physiker vor Einstein indes nicht.

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Denken wir uns ein Raumschiff in der Schwerelosigkeit. An einer Wand im Innern befinde sich ein Laser, der einen Lichtstrahl parallel zum Boden zur gegenüberliegenden Wand schickt. Solange das Raumschiff ruht oder sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit bewegt, wird der Laserstrahl parallel zum Fußboden verlaufen. Nun wird die Kapsel beschleunigt, so daß der Astronaut an den Fußboden gedrückt wird. Da sich die Kabine zwischen dem Aussenden des Lichts und dem Eintreffen auf der gegenüberliegenden Wand beschleunigt weiterbewegt hat, wird der Laserstrahl etwas tiefer auf die Wand treffen. Der Astronaut stellt fest, daß der Lichtstrahl gekrümmt ist. Die Krümmung ist demnach eine Folge der beschleunigten Bewegung. Nach dem Äquivalenzprinzip sind aber die Wirkung einer Beschleunigung und der Gravitation nicht zu unterscheiden. Also, folgerte Einstein, wird ein Lichtstrahl auch von Materie abgelenkt.

Es mußten noch einige Jahre vergehen, bevor Einstein nach mehreren Fehlversuchen Ende 1915 seine neue Theorie der Gravitation, die Allgemeine Relativitätstheorie, präsentieren konnte. Jetzt gab es keine Schwerkraft mehr. Die Gravitation war ein Feld. Jede Materieansammlung, vom Atom bis zum Stern, krümmt den Raum um sich herum, wobei die Stärke der Krümmung mit der Masse des Körpers zunimmt und mit wachsender Entfernung von ihm abnimmt. Der Raum ist damit ein dynamisches Gebilde, das sich ständig um die sich bewegenden Himmelskörper herum verbiegt. Man kann sich dies an einem straff gespannten Gummituch veranschaulichen: Läßt man eine Eisenkugel darin herumlaufen, so erzeugt sie um sich herum eine Mulde, die sich mit der Kugel bewegt. Die Mulde entspricht der Raumkrümmung.

Dr. Thomas Bührke
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