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Einsteins Wellen in Raum und Zeit: 100 Jahre Allgemeine Relativitätstheorie
Zumindest am Himmel ist Winter: Im Südosten haben sich am frühen Abend die Wintersternbilder
über den Horizont begeben. Am bekanntesten ist der Orion, der Himmelsjäger. Vier Sterne bilden den
Körper des Jägers, Rigel steht am rechten Fuß und Beteigeuze ist der linke obere Schulterstern.
Beides sind Riesensterne, der Radius von Beteigeuze (Entfernung 530 Lichtjahre) liegt bei 500 Millionen
km, das ganze innere Planetensystem hätte in ihr Platz. Rigel ist da bescheidener, er hat gerade 10%
des Durchmessers von Beteigeuze, er würde aber immerhin noch an die Bahn des Planeten Merkur
reichen.
Auffällig sind die drei Gürtelsterne des Orion, deren Verbindungslinie nach links unten auf den hellsten
Stern des Sternenhimmels, den Sirius im Sternbild „Großer Hund“, zeigt. Sirius wird erst im Laufe der
Nacht über den Horizont kommen, dann aber wegen seiner großen Helligkeit sehr auffallend sein.
Oberhalb vom Orion steht das Sternbild Stier mit dem rötlich leuchtenden Riesenstern Aldebaran
(Entfernung 67 Lichtjahre) und dem jungen Sternhaufen Plejaden, das Siebengestirn. Links neben
Orion und Stier stehen Castor und Pollux die beiden hellsten Sterne des Sternbildes Zwillinge
übereinander.
Alle diese Sterne gehören zu unserem Sternensystem, unserer Galaxis, die aus über 300 Milliarden
Sternen besteht. Im Kosmos gibt es hunderte von Milliarden solcher Galaxien und Ansammlungen von
Galaxien, sogenannte Galaxienhaufen, sind die Bausteine des Kosmos. Sie bilden ein gigantisches
Netzwerk, das den Raum durchzieht.
Aber was ist Raum an sich?
Albert Einstein untersuchte vor genau 100 Jahren die Bedeutung von Raum und Zeit. Dabei erkannte
er, dass der Raum mehr ist als einfach ein „Behälter“ für Galaxien. Er muss innere Strukturen besitzen,
durch die Schwerkraft entsteht und durch die er verformt werden kann. Anschaulich hat es Einstein so
formuliert: Materie sagt dem Raum wie er sich krümmen muss und der gekrümmte Raum sagt der
Materie wie sie sich in ihm bewegen muss. Ende November 1915 hat er nach einem zehn Jahre langen
Ringen um die richtige mathematische Beschreibung seine noch heute gültige Theorie von Raum und
Zeit, die Allgemeine Relativitätstheorie, in Berlin vorgestellt. Er konnte damit zum ersten Mal eine
geringe beobachtete Positionsabweichung des Planeten Merkur erklären. Einstein: „ Ich war einige
Tage fassungslos vor freudiger Erregung“.
Ausgangspunkt seiner Überlegungen war ein einfacher Gedanke: „Befindet sich eine Person im freien
Fall, wird sie ihr eigenes Gewicht nicht spüren“. Einstein nannte dies „ den glücklichsten Gedanken in
meinem Leben“.
Raum ist mehr als ein Behälter
Nach Einstein kann Raum auch zum Zittern und Schwingen gebracht werden, sogenannte Schwerkraftoder Gravitationswellen übertragen Raumverzerrungen in den Kosmos hinein.
Aber um Raum zum Zittern zu bringen, ist die gewaltigen Energie eines Zusammenstoßes Schwarzer
Löcher oder gar der Entstehung des Universums beim Urknall notwendig.
Einsteins Vorhersage wurde trotzdem von den beiden Physikern Hulse und Taylor bestätigt, die 1974
gezeigt haben, dass die Energieverluste zweier sich umkreisender Neutronensterne (auf 10 km Größe
verdichtete Sonnen) durch das Verzerren des Raumes und die Abstrahlung von Gravitationswellen
erklärt werden können. Dafür haben sie den Nobelpreis erhalten.
Auch auf der Erde versucht man, z.B. beim Experiment GEO 600 bei Hannover, Gravitationswellen
nachzuweisen. LISA, ein ähnliches Experiment, soll 2034 mit höchster Genauigkeit Gravitationswellen
durch ein auf mehreren Satelliten verteiltes Spiegelsystem messen. Am 2. Dezember wollte die
europäische Raumfahrtbehörde ESA eine Testversion starten. Wegen einiger Probleme mit der Rakete
musste der Start verschoben werden, es wird aber mit dem Beginn der Mission „LISA Pathfinder“ noch
Anfang Dezember gerechnet: Ein Jahrhundertprogramm 100 Jahre nach Einsteins Theorie kann
beginnen.
Kaum ein Forscher zweifelt inzwischen, dass es Gravitationswellen gibt. Aber ein direkter Nachweis
würde das Genie Einstein noch heller erstrahlen lassen und den Forschern neue Einblicke in den
Entstehungsprozess des Kosmos geben.
Sternkarte:
Anblick des Sternenhimmels Richtung Südosten Mitte Dezember gegen 20.30 Uhr (Sternkarte: B.
Holstein, AAK)
Kasten 1: Schwerelosigkeit in der Sprudelflasche, ein Experiment zum Selbermachen
Ein einfaches Experiment zeigt Einsteins Ausgangsidee zur Allgemeinen Relativitätstheorie: In
fallenden Körpern herrscht keine Schwerkraft, sie sind gewichtslos.
Man nehme eine große leere Sprudelflasche, mache am unteren Rand ein größeres Loch und fülle sie
mit Wasser. Sobald man den Deckel abnimmt, läuft das Wasser, angetrieben durch das eigene
Gewicht, aus der Flasche. Nun hält man das Loch zu und steigt auf einen Stuhl oder eine Leiter und gibt
das Loch frei. Sofort fließt wieder Wasser aus der unteren Öffnung. Lässt man die Flasche aber fallen,
bleibt das Wasser in der Flasche. Es hat während des Fallens kein Gewicht mehr.
Im Fallturm bei Bremen lässt man physikalische Experimente 110 m tief fallen und kann so für viele
Sekunden unter Schwerelosigkeit forschen. Einen kleinen Fallturm mit einer Fallstrecke von 15 Metern
entwickelt auch ein Forscherteam im Schülerforschungszentrum Nordhessen SFN.
Kasten 2: Mond bedeckt Aldebaran im Stier
Am 23.Dezember, zwei Tage vor Vollmond, wandert der Mond erneut vor den hellen Stern Aldebaran
im Stier. Gegen 19.10 Uhr verschwindet Aldebaran hinter dem schmalen dunklen Teil des Mondes
(linke, östliche Seite) und taucht gegen 20.20 Uhr wieder hinter dem rechten, westlichen hellen
Mondrand auf. Dieses Himmelsereignis kann man mit freiem Auge oder einem Fernglas gut
beobachten.
Bei wolkenfreiem Himmel ist die „Sternwarte auf dem SFN“ in der Parkstr.16 von 18.30 Uhr bis 20.30
Uhr geöffnet.