Frühjahr 2008

Wissenschaft & Umwelt

Relativitätsprüfung

Dan Cloer

Der hundertste Jahrestag der Veröffentlichung von Albert Einsteins ersten Artikeln zur Relativität und zur Struktur des Universums erinnert uns nicht nur daran, wie viel wir einst nicht wussten - er mahnt uns auch, darüber nachzudenken, was noch nicht offenbart ist.

Seit Jahrtausenden streben wir danach, das Universum und seine Grenzen zu verstehen. Immer wieder haben wir versucht, das Ganze zu erfassen und unseren Platz darin zu finden. Begegnungen mit unserer Umwelt – erst in engen, dann in immer weiteren Grenzen – haben unser Raumgefühl schrittweise vergrößert.

Heute kommen wir mit einem billigen Ticket oder per Computer sogar nur mit einem Mausklick um die ganze Welt. Doch wie weit wir auch real oder virtuell reisen – es gibt noch immer unerforschte Gebiete. Die Geheimnisse der Substanz von Materie und Raum selbst beginnen erst jetzt, sich uns zu eröffnen. Die Flaggschiffe unserer Forschung – vernetzte Riesenteleskope, Atome zertrümmernde Teilchenbeschleuniger und, das mächtigste von allen, unsere Vorstellungskraft – bringen uns an Orte, die selbst unseren größten Denkern unzugänglich waren.

Die Erkenntnisse Albert Einsteins, im Jahr 1905 erstmals in fünf kurzen Artikeln publiziert (siehe Kastenartikel „Einsteins Wunderjahr: Die Artikel von 1905“) und dann in seinem Werk während der folgenden Jahrzehnte weiterentwickelt, sind grundlegend und haben die Gestalt dieses Forschens geprägt. Einsteins Werk wird ebenso gerühmt wie die wagemutigen Seefahrer, die einst die Weltkarte veränderten. Noch heute verstehen nur wenige seine Gedanken zu Zeit, Raum, Masse und Schwerkraft vollständig, doch ihre Wirkung spürt jeder.

Einsteins Revolution hat unser allgemeines Vokabular nicht nur um ein paar merkwürdige Begriffe wie Quantensprung, Zeitkrümmung und Raumzeit bereichert; sie hat viel von dem untergraben, was wir über unsere Welt zu wissen meinten. Wenn wir je glaubten, wir würden das Universum einmal in den Griff bekommen, so müssen wir nun einsehen, dass wahrscheinlich keine Theorie seine seltsame und unberechenbare Struktur vollkommen erklären wird.

Dieser international gefeierte Einstein-Jahrestag ist ein geeigneter Anlass, um die Bedeutung und Wirkung seines Werks einer „Relativitätsprüfung“ zu unterziehen. Und es trifft zwar zu, dass er einen großen Beitrag zur Neuordnung unseres Weltmodells geleistet hat, doch das ist nicht alles. Einsteins Gedanken sind nicht nur eine Herausforderung für unsere Vorstellung von Wirklichkeit – sie motivieren uns zu ergründen, wer wir sind, warum wir hier sind und uns sogar zu fragen, wo wir Antworten auf solche Fragen finden werden.

DAS KLASSISCHE UNIVERSUM

Vor 200 Jahren meinte man, das Universum und unseren Platz in ihm gut zu verstehen. Der Mensch hatte nicht nur die gesamte Erde kartografiert, sondern auch die Gesetze der Physik schienen gesichert. Seit über 100 Jahren lieferten Isaac Newtons Bewegungsgesetze eine zufrieden stellende Beschreibung der Mechanismen des Universums. Von der Veröffentlichung der Principia Mathematica in den Jahren 1686-87 bis zum Ende des 19. Jahrhunderts hatten Newtons Gesetze die Beobachtungen sowohl Galileos (Beschleunigung fallender Gegenstände) als auch Keplers (Umlaufbahnen des Mondes und der Planeten) erklären können. Durch sein Genie wurden die scheinbar willkürlichen Eigenschaften von Trägheit, Masse, Beschleunigung und Gravitation miteinander verknüpft und berechenbar, nicht nur für Gegenstände auf der Erde, sondern im ganzen Himmel.

Dieses mechanische „Uhrwerkmodell“ auf der Grundlage mathematisch exakter Maße wurde und wird als „klassisches Universum“ bezeichnet. Wenn man die Ausgangsposition interagierender Körper gleich welcher Art darin kannte – ob Planeten und der Mond, Queue und Billardkugel oder winzige Atome –, so konnte man eine Beziehung von Ursache und Wirkung berechnen, durch die sich die Ergebnisse von Wechselwirkungen genau vorhersagen ließen. Einstein, dessen Talent nicht nur in der Physik lag, sondern auch in der Formulierung seiner Gedanken, schrieb später: „Das ewige Geheimnis der Welt ist ihre Begreifbarkeit….Die Welt ist begreifbar, und dass sie es ist, ist ein Wunder.“

Die klassische newtonsche Weltsicht entspricht unserem Empfinden. Die Gesetze sind logisch und werden durch unsere gemeinsame Erfahrung bestätigt: Das Geschirr bleibt stehen, wenn man die Tischdecke darunter wegzieht; ein Luftballon prustet davon, wenn die Luft entweicht, und der Kaffee im Auto schwappt beim Bremsen vorwärts. Auch Zeit, Entfernung und Masse erleben wir als berechenbare Konstanten. Wir fühlen uns nicht schwerer, wenn wir uns bewegen. Drei Minuten nach der vollen Stunde ist überall auf der Erde die gleiche Uhrzeit, „jetzt“ ist für alle das Gleiche, wo auch immer sie sind. Oder nicht?

IN NEUEM LICHT

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts begann das Vertrauen auf solche Wahrnehmungen erschüttert zu werden. Da sich die Physik mit den Wechselbeziehungen und Wechselwirkungen von Gegenständen und den auf sie einwirkenden Kräften befasst, ist sie auf einen Bezugsrahmen angewiesen, um Messungen vorzunehmen. Im klassischen Weltbild waren Raum und Zeit absolute Größen – die Konstanten, an denen alle Ereignisse gemessen werden konnten. An solche absoluten Größen zu glauben scheint durch die Erfahrung gerechtfertigt. Um die andere Wirklichkeit jenseits der Erfahrung zu verstehen, bedurfte es des Genies von Albert Einstein.

Als 26-jähriger Angestellter des Patentamts in Bern wunderte sich Einstein über das Verhalten des Lichts. Wie wäre es wohl, auf einem Lichtstrahl zu reisen, fragte er sich. Nach der newtonschen Vorstellung würde sich ein Lichtstrahl verhalten wie jeder andere Gegenstand. Wenn eine nach Osten abgefeuerte Rakete durch die Erdrotation angeschoben wird, müsse es einem Lichtstrahl ebenso ergehen. Experimente hatten jedoch gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant war, unabhängig von der Ausrichtung des Strahls.

Aber warum? Wenn sich die Lichtquelle selbst bewegte, warum änderte sich dann die Geschwindigkeit des Lichtes nicht, das von ihr kam? Da Einsteins Schwerpunkt die theoretische, nicht die experimentelle Physik war, entwickelte er Denkübungen, um solche intuitiv provozierenden Fragen zu ergründen (vgl. Kastenartikel „Deine oder meine Uhr?“ ).

Einstein nahm nun an, die Lichtgeschwindigkeit sei konstant, unabhängig vom Bezugsrahmen des Beobachters (wie die früheren Experimente gezeigt hatten), und schloss daraus, dass Zeit und Raum nicht absolut, sondern flexibel seien. Die persönliche Erfahrung von Zeit und Raum gibt uns das Gefühl, dass sie getrennt und konstant sind. Doch nach Einsteins Spezieller Relativitätstheorie sehen zwei Beobachter innerhalb ihres jeweiligen raumzeitlichen Bezugsrahmens ein Ereignis unterschiedlich, gerade weil die Lichtgeschwindigkeit konstant ist.

Relativität lehrt uns den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Beschreibungen ein und derselben Realität.“

Albert Einstein

Dies war ein großer Sprung heraus aus der newtonschen Relativität, wo alle Ereignisse vor dem angenommenen Raumhintergrund – dem „Äther“ – beurteilt worden waren. Dem klassischen Physiker gab der Äther einen universellen Bezugsrahmen, denn er war ein Medium, durch das sich Licht bewegen konnte; darüber hinaus war er der kosmische „Urstoff“ des Universums.

Dieser Äther implizierte in Kombination mit dem Begriff der absoluten Zeit eine unmittelbare Verbundenheit des gesamten Universums. Die Schwerkraft wurde z.B. als unmittelbar wirkende Kraft angesehen: So, wie in einem Räderwerk ein Zahnrad mit allen anderen verbunden ist, sodass sich alle zusammen drehen, verändere jede Veränderung der Masse oder Schwerkraft in einem Teil des Universums gleichzeitig das gesamte Universum. Die Spezielle Relativitätstheorie widersprach diesem Paradigma. Heute wissen wir, dass die Lichtgeschwindigkeit die letzte Grenze dafür ist, wie schnell sich ein Ereignis auf ein anderes auswirken kann.

DAS QUANTENATOM

Als wäre die Behauptung, Zeit sei letztlich flexibel, noch nicht genug, folgte der Speziellen Relativitätstheorie eine weitere verblüffende Offenbarung: Energie und Masse sind auch austauschbar und mit der Lichtgeschwindigkeit verbunden. Einsteins bekannteste Gleichung E = mc2 (der Energiegehalt eines Gegenstandes ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit mal Lichtgeschwindigkeit) war nur die Endnote eines bemerkenswerten Jahres.

Diese Gleichung wurde später zur Basis für die Kernspaltung und die Produktion der Atombombe, doch im Jahr 1905 war sogar der Begriff Atom noch suspekt. Auf die Frage nach dem Wichtigsten, das die Menschen gelernt hätten, antwortete der Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman: „Die Welt besteht aus Atomen.“ Die kluge Sparsamkeit dieses Satzes verhüllt seine machtvolle Wahrheit: Alle Aktivitäten und Verfahren der modernen Welt beruhen auf der Kenntnis der Wechselwirkungen von Atomen. Das Tempo, in dem wir diese Einsicht nutzbar gemacht haben, ist fantastisch.

Das Atom des frühen 20. Jahrhunderts war sehr einfach. Das Elektron war bereits entdeckt, doch die konkreten Experimente, in denen der Atomkern isoliert und gemessen wurde, fanden erst 1909 statt. Im Jahr 1913 kam das von Niels Bohr entwickelte „planetarische“ Atommodell der Wahrheit am nächsten: ein positiver Kern, umgeben von konzentrischen Schichten oder Umlaufbahnen von Elektronen. (Neutronen, der andere Bestandteil des Kerns, wurden erst in den dreißiger Jahren entdeckt, als die ersten Teilchenbeschleuniger erfunden wurden, die Atome zertrümmern konnten.)

Mit seinen anderen drei Artikeln von 1905 bestätigte Einstein in seiner Analyse der brownschen Bewegung und des photoelektrischen Effekts sowohl die tatsächliche Existenz von Atomen als auch letztlich ihren Aufbau und ihr Verhalten.

Die merkwürdige Erkenntnis, dass das Licht Eigenschaften nicht nur von Wellen, sondern auch von Teilchen hat, war eine Inspiration für Bohr. Ausgehend von der Annahme, dass Licht in Paketen, den „Quanten“, vorkommt (heute „Photonen“ genannt), arbeitete Bohr die Energiegleichungen des Elektrons und die verborgene Struktur des Atoms neu aus. Das planetarische Modell, bei dem sich die Elektronen reibungslos von einer Schicht zur anderen bewegten wie Autos, die auf einer Ringstraße die Spuren wechseln, wurde vom Quantenmodell abgelöst. Im Quantenatom können Elektronen nur mit diskreten Energien existieren; sie springen von einem zum anderen, indem sie Energiequanten aufnehmen oder abgeben. Das analoge Atom war digital geworden.

Interessanterweise ist es in dieser Quantenwelt nicht möglich, sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit eines Elektrons oder Teilchens zu bestimmen. Durch die Messung des einen Merkmals wird das andere verändert, sodass niemals beide gleichzeitig feststellbar sind; je genauer die Position bestimmt wird, desto größer die Unsicherheit über die Geschwindigkeit und umgekehrt. Bei sehr kleinen Gegenständen wie Atomen sind die Ausgangsbedingungen eines Systems nie vollständig feststellbar. Ohne diese Information ist es unmöglich, den künftigen Zustand eines Systems vorherzusagen; nur die Wahrscheinlichkeit bestimmter Ergebnisse lässt sich berechnen.

Dieses Fehlen einer sicheren Berechenbarkeit war für Einstein sehr beunruhigend. Er widmete die letzten 30 Jahre seines Lebens der Suche nach einer Universaltheorie, einer „Theorie für alles“, die zeigen sollte, dass „Gott nicht würfelt“. Er fand sie nicht, und die Suche hält bis heute an. Aktuelle Theorien mit „Strings“ und „Attraktoren“ nehmen in dem Versuch, die chaotische Natur der Quantenmathematik mit den Voraussagen der Relativitätstheorie in Einklang zu bringen, eine Vielzahl von Dimensionen (sogar von Universen) an.

Eine Theorie, die die gesamte Schöpfung beschreibt – von den kleinsten Bausteinen bis zur gesamten Ausdehnung des Universums – ist das Ziel der modernen Physik. Brian Greene, Physiker an der Universität Columbia (New York) und Autor vieler Publikationen, meint, wenn die Wissenschaft ein solches Modell erschaffen könnte, „hätten wir die tiefen Gesetze des Universums in der Hand“. Diese Gesetze „wären der Anfang unseres Strebens, diese tiefe Erkenntnis zu nutzen, um dieses Universum ganz zu erforschen … ganz zu verstehen, wie die Dinge so wurden, wie sie sind“ (aus „A Conversation With Brian Greene“ auf der Nova-Website von PBS).

Würden uns diese Gesetze auch helfen, den Platz des Menschen im Universum zu verstehen?

DAS STREBEN NACH ERKENNTNIS

Wir leben in einer Zeit unglaublicher materieller Errungenschaften. Dass wir gelernt haben, unsere Welt nicht nur aus Materie zu konstruieren und zu bauen, sondern aus einem Verständnis der innersten Natur dieser Materie, ist eine enorme Leistung. Sicher wurden die ersten Menschen, die aus Malachit Kupfer gewannen, von ihren Mitmenschen als Genies angesehen – in gewisser Weise als Zauberer. Wie viel mehr müssen wir heute die bewundern, die uns Zugang zur Natur der Schöpfung selbst gegeben haben!

Gleichzeitig fragen wir uns, warum mit diesen enormen Fortschritten bei uns eine Neigung einhergeht, gute Absichten in destruktive Ergebnisse zu verwandeln. Einstein anerkannte dieses Dilemma, als er 1931 bemerkte: „Warum bringt uns diese großartige angewandte Wissenschaft, die Arbeit spart und das Leben leichter macht, so wenig Glück? Die einfache Antwort: Weil wir noch nicht gelernt haben, sie vernünftig zu nutzen.“

Warum bringt uns diese großartige angewandte Wissenschaft, die Arbeit spart und das Leben leichter macht, so wenig Glück? Die einfache Antwort: Weil wir noch nicht gelernt haben, sie vernünftig zu nutzen.“

Albert Einstein

Der erste Abwurf einer Atombombe am 6. August 1945 stellte unseren Begriff von „vernünftiger Nutzung“, der stets im Fluss ist, auf dramatische Weise in Frage. Von seiner einzigartigen Perspektive an der Schwelle zum Atomzeitalter warnte Einstein: „Die entfesselte Kraft des Atoms hat alles außer unsere Denkweisen verändert, und so treiben wir auf eine Katastrophe ohnegleichen zu.“

Bei all dem „Abschälen“ der zeitlosen Mysterien des Universums wurde eine ethische Basis oder Wertebasis, von der aus wir unser neues Wissen anwenden können, nicht enthüllt. Wird die Wissenschaft – so gut gerüstet, um die physische Welt zu analysieren – de facto unsere Werte bestimmen? Kann die wissenschaftliche Methode von Hypothese und Experiment uns letztlich zu den richtigen Erkenntnissen führen, einer neuen Denkweise? Oder lässt sie uns auflaufen wie ein Schiff, das in der Flaute gestrandet ist, ohne Richtung?

Der theoretische Physiker und Mathematikprofessor John Taylor vom Londoner Kings College glaubt, dass die Wissenschaft unsere beste Hoffnung ist. In When the Clock Struck Zero schreibt er: „Wir haben nun ein gemeinsames Schicksal in einer immer stärker vernetzten Gesellschaft, und wir müssen versuchen zu sehen, wie die wissenschaftliche Erkenntnis wie ein läuterndes Feuer auf unsere Lebensweise wirken kann.“ Doch wenn wir betrachten, was wir mit unserer neuen wissenschaftlichen Erkenntnis im letzten Jahrhundert getan haben, finden wir nur wenig, das eine solche Hoffnung rechtfertigt. Wer erwartet, die Wissenschaft werde das physische Wissen so integrieren, dass es eine moralische Substanz liefert, macht im Grunde seine Hoffnungen im Äther fest.

Wissenschaft führt zur Erforschung und Entwicklung neuer Hilfsmittel, „doch was wir können sollten, scheint im Verhältnis zu unseren konfusen Errungenschaften gigantisch. Warum?“, fragt der Physiker Feynman in The Meaning of It All. „Warum können wir uns selbst nicht überwinden? Weil wir feststellen, dass selbst die großartigsten Kräfte und Fähigkeiten offenbar nicht mit einer klaren Gebrauchsanweisung verbunden sind.“

Statt uns an der Spitze neuer Entdeckungen zu sehen, scheinen wir eher verloren zwischen der Unermesslichkeit des Kosmos und der Winzigkeit subatomarer Teilchen, deren Gesetze unser Verständnis übersteigen.

IMMER NOCH AUF DER SUCHE

Obwohl wir weiter unverdrossen die Welt erforschen, wird die lang gesuchte Universaltheorie, wenn sie uns nicht den Grund dafür liefert, warum die Dinge sind, wie sie sind, uns nicht zufrieden stellen. Statt darauf zu beharren, es gebe keinen Grund, keinen Zweck, kein leitendes Prinzip des menschlichen Daseins, sollten wir einfach anerkennen, dass die Wissenschaft für derartige Entdeckungen nicht angelegt ist und dass hier andere Arten des Forschens anzuwenden sind. „Es ist wahr, dass Überzeugungen am besten mit Erfahrung und klarem Denken gestützt werden können“, sagte Einstein 1939 in einer Rede am Princeton Theological Seminary. „Hierin muss man dem extremen Rationalisten rückhaltlos zustimmen. Der Schwachpunkt dabei ist allerdings, dass die Überzeugungen, die für unser Handeln und unsere Urteile notwendig und bestimmend sind, auf diesem wissenschaftlichen Weg allein nicht gefunden werden können“ (vgl. Kastenartikel„Wo ist Gott?“).

Wissenschaft ohne Religion ist lahm, Religion ohne Wissenschaft ist blind.“

Albert Einstein

Kurz vor seinem Tod im Jahr 1955 erklärte Einstein, seine einzigartigen wissenschaftlichen Erkenntnisse seien einfach die eines neugierigen Kindes gewesen – eines Erwachsenen, der sich die Offenheit eines Kindes bewahrt habe, sich zu neuen Erkenntnissen führen zu lassen. „Ich habe mich so langsam entwickelt, dass ich erst als Erwachsener begann, mir Fragen über Raum und Zeit zu stellen“, gestand er. „Folglich drang ich tiefer in das Problem ein, als ein gewöhnliches Kind es getan hätte.“ Dies ist ein großartiger Ansatz, um Hürden auf dem Weg zu materiellen Entdeckungen wie auch spirituellen Erkenntnissen zu überwinden: Um voranzukommen, muss man zuerst die Zementschuhe des Status quo ablegen.

Wenn man eine schlichte Unschuld und demütige Bereitschaft zeigt, sich in Neuland führen zu lassen, tun sich Türen auf. Dies sind Eigenschaften, die es uns ermöglichen, voranzukommen – ob kollektiv (in dem Sinn, dass neue Sichtweisen unserer Welt von denen kommen, die sich nach vorn wagten, weil sie glaubten, dass es dort mehr zu finden gab) oder persönlich, weil sie uns dazu bringen, unser Verständnis und unsere Überzeugungen zu überprüfen.

Wie das Neue Testament sagt, wird das Reich Gottes denen gegeben, die in kindlicher Demut den Spuren folgen, bis sie sie zur vollen Erkenntnis führen (Lukas 18, 17). Heute zeigen uns die Spuren, dass wir außerhalb des Kastens schauen müssen, den die Wissenschaft mit ihren eng begrenzten Methoden definiert, während sie nach einer Theorie sucht, die die Gesamtheit unserer kollektiven und individuellen Erfahrung als Menschen erklären soll.

EIN ANDERER WEG

Wir tun uns oft schwer damit, einzugestehen, dass wir noch auf der Suche sind, und unsere Augen offen zu lassen für Entdeckungen. Wir fühlen uns recht wohl in der bekannten Welt, mit den Füßen fest auf bekanntem Terrain. Um den Spuren zu neuen Erkenntnissen zu folgen, müssen wir jedoch bereit sein für Entdeckungen.

Feynman bringt dies mit der Bemerkung zum Ausdruck, es sei kostspielig und kurzsichtig, sich zu sehr an irgendeine Überzeugung zu klammern: „Dass man nicht sicher ist, bedeutet die Möglichkeit, dass es einmal anders sein kann. Diese Offenheit für das Mögliche ist eine Chance.“ Er nennt diesen Weg einen „offenen Kanal“ – den Weg zum vollen Verständnis unseres Platzes im Universum und der Prinzipien des persönlichen Verhaltens. Natürlich ist dieser Weg zu weiteren Entdeckungen nicht anders, als er immer war. Er führt uns fort aus unserem Wohlfühlbereich. In mancherlei Hinsicht führt er uns fort von dem, was wir gelernt oder immer geglaubt haben.

Der Philosoph Jean Staune beschreibt die bemerkenswerte Verbindung zwischen Wissenschaft und Geist und den noch bevorstehenden, größeren Entdeckungen: „Die Wissenschaft hat durch die Quantenphysik gezeigt, dass sie allein die Wirklichkeit nicht vollständig abbilden kann. Sie hat die Basis für eine glaubwürdige Art gelegt, die Existenz Gottes zu verstehen, denn die Welt ist nicht länger auf unsere Ebene der Realität beschränkt.“

Der Weg der Geschichte ist gesäumt von Entdeckungen, die bald in Vergessenheit oder in Verruf gerieten. Dem Werk Einsteins war dieses Schicksal nicht beschieden; es wird vielmehr zu Recht in Ehren gehalten, da es die Brücke geschlagen hat, die die kleinsten und die größten Aspekte der Schöpfung für uns verbindet. Doch wenn wir alles bedenken, was wir wissen oder zu wissen meinen, mangelt es uns noch immer am Verstehen. Unsere größte Erkenntnis ist nun, dass an der Welt und der Realität mehr ist als nur das Physische.

Moderne Experimente „beweisen nicht die Gültigkeit einer geistigen Weltsicht“, schreibt Staune. Doch „sie geben einer solchen Sicht eine rationale Gültigkeit, während sie eine rein materialistische Sicht des Lebens schwieriger machen“ („On the Edge of Physics,” in Science & Spirit, 1999).

In dieser Hinsicht ist Einsteins wertvollstes Vermächtnis weder die Relativitätstheorie noch die Quantenphysik; es ist seine Art, sich den Geheimnissen der Welt zu nähern. Er fand – nicht anders als wir heute –, dass die vorherrschende Lehrmeinung nicht immer der Wirklichkeit entspricht; dass Erklärungen oft unvollständig und in sich unstimmig sind. Die Bereitschaft, die gerade geltenden Konventionen zu hinterfragen und nach einer tieferen, volleren Erkenntnis der Schöpfung zu suchen, bleibt seine zeitloseste, anspornendste und ermutigendste Lehre.

„Wichtig ist nur, nicht aufhören zu fragen“, befand Einstein. Heute haben nur wenige die Vision, über das Physische und die Oberfläche hinaus zu forschen. Noch weniger sind bereit, die Antworten jenseits des Horizonts zu suchen.