Politik: "Einstein könnte heute noch bei uns mitmischen"

Sie widmen sich als einer der wenigen deutschen Physiker Einsteins bedeutendstem Vermächtnis: der Allgemeinen Relativitätstheorie. Warum ist dieser Forschungszweig hier zu Lande so schlecht vertreten?

Das liegt wohl daran, dass sich das Interesse der meisten theoretischen Physiker der Erforschung der Welt im Kleinen zugewandt hat. Man möchte genauer verstehen, wie die subatomaren und subnuklearen Prozesse vor sich gehen. Die allgemeine Meinung ist: Erst einmal müssen wir die Welt in ihren kleinsten Zusammenhängen gut verstehen, erst dann sollte man sich wieder den Verhältnissen im Großen zuwenden. Aber es gibt zumindest einige Hundert Spezialisten in der Welt, die sich mit der Allgemeinen Relativitätstheorie auseinander setzen.

Trotzdem ist es schwer verständlich, dass eine Theorie, derentwegen wir Einstein als zweiten Newton, als den Forscher des 20. Jahrhunderts feiern, in Deutschland einen so schlechten Stand hat. Gibt es nicht noch andere Gründe dafür?

Darüber kann ich nur Vermutungen anstellen. Ein Grund, der vielleicht immer noch nachwirkt, ist, dass während der Nazizeit die Allgemeine Relativitätstheorie verpönt war, weil sie von einem Juden stammte, weil sie zu der so genannten nicht-arischen Physik gehörte. Es sind in dieser Zeit sehr viele Wissenschaftler aus Deutschland weggegangen. Und mein Eindruck ist, dass diese Auswanderung der Wissenschaft sehr geschadet hat und dass dadurch der Wiederaufbau nach dem Zweiten Weltkrieg sehr erschwert wurde.

Das Interesse der Forscher an Einsteins Hypothesen scheint aber von Beginn an nicht sonderlich groß gewesen zu sein. Einstein hat nie den Nobelpreis für die Allgemeine Relativitätstheorie bekommen, unter anderem, weil es kaum jemanden in den zuständigen Komitees gab, der die Arbeit hätten beurteilen können.

Das ist wohl richtig. Und es hängt auch damit zusammen, dass es zwar schon in der Anfangszeit einige Messungen gab, durch die die Theorie bestätigt wurde. Aber es blieb bei diesen wenigen Prüfungen der Theorie, die noch dazu eine geringe Genauigkeit hatten.

Eines von diesen Experimenten mit aus heutiger Sicht nur geringer Zuverlässigkeit ist die Bestätigung der Lichtablenkung bei einer Sonnenfinsternis. Sie machte Einstein 1919 mit einem Schlag berühmt.

Ja. Aber weil dann für mehrere Jahre keine neuen Experimente in dem Gebiet gemacht werden konnten, wandten sich die Physiker anderen Gebieten zu.

Heißt das: Die Allgemeine Relativitätstheorie und später auch die Kosmologie, die sich wesentlich auf die Einsteinschen Gleichungen stützt, galten den Wissenschaftlern als zu spekulativ?

Sie galten als recht spekulativ, weil man keine Möglichkeit hatte, die theoretisch entwickelten Modelle empirisch zu überprüfen.

Wann änderte sich das?

Das änderte sich etwas, als zehn Jahre nach Einsteins Tod, also Mitte der 60er Jahre, durch die Entwicklung von Radarmethoden, von sehr genauen Uhren, von Computern und Satelliten Experimente möglich wurden. Mit ihnen konnte man die klassischen Tests sehr viel genauer machen, wie zum Beispiel die Lichtablenkung, aber auch die vorhergesagte Zeitverzögerung von Signalen, die man von der Erde aus zu einem Planeten schickt und wieder zurücklaufen lässt. Dabei stellte sich heraus, dass Einstein mit seiner Theorie immer wieder Recht behielt. Wenn eine Theorie über längere Zeit immer Recht behält, dann nimmt das Interesse ab. Viele junge Forscher möchten in Gebieten arbeiten, in denen etwas ganz Neues passiert.

So etwas ganz Neues war 1965 die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung, oft "Echo des Urknalls" genannt.

Das war der wichtigste Anstoß für die Kosmologie. Dadurch wurde sie ungemein belebt. Weil es sich bei dieser Hintergrundstrahlung um etwas handelt, das aus den frühen, hochenergetischen Stadien der Entwicklung des Universums stammt, haben mehr und mehr Physiker, die aus der Teilchenphysik kamen, einen Teil ihres Interesses diesem Gebiet gewidmet.

Sie selbst hatten 1965 Deutschland bereits in Richtung USA verlassen. Warum?

Ich konnte hier keine Dauerstelle bekommen und war gezwungen, in die USA zu gehen, wenn ich auf diesem Gebiet weitermachen wollte.

Was haben Sie dort erforscht?

Es ging zunächst um die Frage: Wie kann man bessere Lösungen der einsteinschen Feldgleichungen aufstellen?

Warum waren Wissenschaftler in den USA an solchen Fragen stärker interessiert?

Die Wiederbelebung der Kosmologie war unter anderem dadurch begünstigt, dass man in den USA viel bessere Möglichkeiten hatte, teure Experimente zu unterhalten, etwa Raumfahrtexperimente. Ein weiterer glücklicher Umstand war, dass der theoretische Physiker John Wheeler &

& der Einstein persönlich gut kannte&

& sehr geschickt darin war, mit Schlagworten das Interesse der Öffentlichkeit zu wecken. Von ihm stammt zum Beispiel die Bezeichnung "schwarze Löcher". Bis heute ist es so, dass man mit Vorträgen über Kosmologie viele junge Leute begeistern kann. Aber wenn es an den Universitäten in Deutschland keine Lehrstühle dafür gibt, läuft dieses Interesse ins Leere.

Warum sind Sie zurückgekehrt?

Das hatte zum Teil persönliche Gründe. Es wurde mir aber auch ein Angebot gemacht, am Max-Planck-Institut für Physik und Astrophysik eine selbständige Forschergruppe aufzubauen.

Also an dem Institut, wo Heisenberg damals noch Direktor war.

Werner Heisenberg spielte beim Wiederaufbau der Physik in Deutschland und der Besetzung der Stellen eine besondere Rolle. Er war außerordentlich allgemein interessiert und verfolgte die Entwicklungen in fast allen Bereichen der Physik - mit einer Ausnahme: der Gravitationstheorie. Die lag außerhalb seines Interesses. Trotzdem gab er mir die Möglichkeit, mit einigen Leuten in diesem Forschungsgebiet zu arbeiten.

Sie sind dann lange auf den Spuren Einsteins gewandelt und haben 1995 ein Max-Planck-Institut mitbegründet, das seinen Namen trägt: das Albert-Einstein-Institut in Golm bei Potsdam. Könnte der Einstein von damals die Sprache der Forscher an diesem Institut noch verstehen? Könnte er noch mitmischen?

Er müsste schon noch einiges nachlernen.

Damit hatte er ja Erfahrung! Er holte das Abitur nach, nachdem er vorzeitig die Schule verlassen hatte, eignete sich die Mathematik an, die er im Studium zu wenig beachtet hatte&

Ja. Es wird manchmal gesagt, Einstein sei kein guter Mathematiker gewesen. Richtig ist, dass er kein kreativer Mathematiker war, der neue mathematische Sätze fand. Aber die Mathematik, die er für seine Arbeiten in der Physik brauchte, die hat er immer - auch wenn es ganz ungewöhnliche Mathematik war - schnell gelernt und sehr gut einsetzen können, vor allem in der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Seither hat sich die Mathematik stark weiterentwickelt.

Trotzdem würde er an unserem Institut bald mitmachen können. Insbesondere, weil sich eine Abteilung hier am Max-Planck-Institut mit der Beziehung der Gravitationstheorie zur Quantentheorie und zu einheitlichen Feldtheorien beschäftigt.

Einstein hat dem die meiste Zeit seines Forscherlebens gewidmet - und wurde von vielen Forschern dafür belächelt. Er war zeitweise regelrecht isoliert.

Die Art und Weise, wie Physiker Einstein beurteilen, hat sich verändert. Man sieht daran auch, wie sich Moden auswirken. Lange Zeit sagten sie: Ach, diese einsteinschen Bemühungen um eine einheitliche Feldtheorie waren von vorneherein als zwecklos zu beurteilen. Heute sieht man das schon wieder etwas anders und sagt: Die Bemühungen um eine einheitliche Theorie waren wichtig. Zwar verwendet man heute andere Methoden, aber sie haben durchaus noch Ähnlichkeit mit dem, was Einstein versuchte.

Ist man einer Vereinigung der großen Theorien, ähnlich wie sie Einstein anstrebte, inzwischen näher gekommen, sprich: einer Vereinigung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantentheorie?

Es kommt mir so vor, dass man zwar immer raffiniertere mathematische Methoden entwickelt, die man vermutlich auch braucht, um eine solche Vereinheitlichung zu erreichen, dass aber die Beziehung zu Erfahrungstatsachen bisher nicht deutlicher geworden ist.

Immerhin gibt es neben der Stringtheorie seit einigen Jahren Fortschritte mit einer neuen "Quantisierten Allgemeinen Relativitätstheorie", auch "Loop Quantum Gravity" genannt. Sie geht nicht mehr von einem kontinuierlichen Raum, sondern von einer körnigen Struktur des Raumes aus. Man nimmt dabei an, dass sich zwei Punkte im Raum niemals näher kommen können als 0,00&& und jetzt müsste man noch weitere 30 Nullen anhängen und dann erst eine 1, um dieses Längenmaß in Zentimetern auszudrücken. Ist eine solche diskontinuierliche Raumzeit Ihrer Meinung nach ein viel versprechender Ansatz?

Das ist eine gute Idee. Aber man muss dazu sagen: Dass man die kontinuierliche Raumzeit-Struktur im Kleinen durch eine diskrete Struktur ersetzen muss, ist wohl allen Bemühungen gemeinsam. Auch in der Stringtheorie benutzt man keine punktartigen Objekte mehr, sondern Strings.

Was ist der Vorzug dieser Theorie gegenüber der Stringtheorie?

Bei der "Loop Quantum Gravity" hat man sich darauf konzentriert, zunächst nicht so sehr die verschiedenen physikalischen Wechselwirkungen alle unter einen Hut zu bringen&

&also die starke und schwache Kernkraft, den Elektromagnetismus und die Gravitation.

Man möchte erst einmal sehen, inwieweit man die Raumzeit-Geometrie in ein mathematisches Objekt verwandeln kann, um dann später erst die verschiedenen Wechselwirkungen zu integrieren. Im Augenblick ist noch nicht zu sehen, welche dieser beiden Richtungen eher ans Ziel kommt.

Was halten Sie von der Bezeichnung "Weltformel" in diesem Zusammenhang?

Ich halte das für eine irreführende Bezeichnung. Es geht nicht um eine Formel, sondern um eine ganze Theorie. Und es ist nicht einmal von vorneherein klar, mit welchen Begriffen diese Theorie arbeitet, bevor man für diese Begriffe Gesetze aufstellt. Was die Theorie dann letztlich ausmacht, ist ein komplexes Gebilde aus Begriffen und Gesetzen. Dafür das Wort "Weltformel" zu verwenden, ist arg verkürzt.

Ist nicht auch damit zu rechnen, dass selbst wenn man eine solche vereinheitlichte Theorie gefunden hat, auch weiterhin Dinge sichtbar werden, die über diese Theorie hinausgehen?

Meine Vorstellung ist die, dass die Physik immer weitergehen wird, dass man immer wieder an irgendeiner Stelle etwas entdecken wird, was nicht in das bisherige Bild passt.

Eine der größten Entdeckungen, die der Physik vielleicht eine neue Richtung geben könnte, wäre wohl die der Gravitationswellen.

Ja. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie sollten große Körper, die sich beschleunigt bewegen, in ihrer Umgebung die Struktur der Raumzeit so verzerren, dass sich das Gravitationsfeld wellenartig von diesen Stellen aus wegbewegt. Das hat Einstein schon 1916 und in verbesserter Form 1918 vorhergesagt.

Was macht den Nachweis dieser Verzerrungen von Raum und Zeit so schwierig?

Der Nachweis ist deswegen so schwer, weil die Intensität dieser Gravitationswellen ungeheuer klein ist. Deshalb war man bis in die 60er Jahre hinein der Meinung, man würde sie überhaupt nie nachweisen können.

&wovon ja auch Einstein selbst überzeugt war.

Ja. Dann hat sich aber insbesondere ein amerikanischer Physiker, Joe Weber, ein Herz gefasst und überlegt, ob man nicht doch Detektoren bauen könnte, die empfindlich genug sind. Er hat Metallzylinder aufgestellt, die durch die Gravitationswellen zu Schwingungen angeregt werden sollten. Eine Zeitlang hat er sogar geglaubt, dass er solche Wellen nachgewiesen hatte. Aber wie das in der Physik so üblich ist, wollten dann verschiedene andere experimentelle Gruppen seine Ergebnisse nachvollziehen und vielleicht sogar verbessern. Keine andere Gruppe war in der Lage, die Weberschen Resultate zu bestätigen. Jedenfalls ist man dann mit guten Gründen zu der Meinung gekommen, dass man die Gravitationswellen noch nicht wirklich nachgewiesen hatte.

Welche Folgen hatte dies?

Erst einmal war dadurch eine neue Entwicklung in Gang gesetzt. Man ließ nicht locker. Die Experimentalphysiker haben sich immer bessere Methoden überlegt und inzwischen ist man zu der Meinung gekommen, dass es aussichtsreicher ist, solche Gravitationswellen nachzuweisen, wenn man sich nicht hauptsächlich auf mechanische Antennen stützt, sondern Interferometer baut.

Können Sie das näher erläutern?

Gravitationswellen-Interferometer sind Geräte, in denen man Laserstrahlen eine lange Strecke in Vakuumröhren zurücklegen lässt - also einige 100 Meter beziehungsweise in den USA bei den großen Anlagen auch drei bis vier Kilometer. Man lässt Laserstrahlen zwei verschiedene Strecken durchlaufen, die zueinander senkrecht stehen. Wenn nun eine Gravitationswelle durch so ein Gerät hindurch laufen würde, dann würden nach der Theorie die Lichtlaufzeiten etwas verändert, und zwar im Rhythmus der Gravitationswelle. Das beeinflusst die Intensität des wiedervereinigten Laserlichts. Man misst diese kleinen Änderungen, die man in Abstandsänderungen umrechnet, und diese werden als Messgrößen genommen.

Wie gut sind die Anlagen?

Die Empfindlichkeit der Geräte, die man gebaut hat, ist inzwischen so weit gesteigert worden, dass es berechtigte Hoffnungen gibt, innerhalb der nächsten Jahre, schlimmstenfalls innerhalb der nächsten zehn Jahre solche Gravitationswellen direkt nachzuweisen.

Was versprechen Sie sich von der Beobachtung der Gravitationswellen?

Man kann damit nicht nur eine weitere Vorhersage Einsteins experimentell direkt überprüfen. Auf lange Sicht ist das Wichtigere, dass man damit ein neues Beobachtungsfenster für die Astronomie öffnen möchte.

Was könnte sich den Forschern zeigen?

Man möchte in Bereiche hineinsehen, die auf andere Weise nicht zugänglich sind. Wenn etwa im Zentrum einer Galaxie sehr dichte, sehr große Massen kollabieren und schwarze Löcher bilden oder wenn solche schwarzen Löcher zusammenstoßen, dann kommen aus diesem Bereich zwar auch elektromagnetische Wellen und Neutrinos heraus, aber die werden so sehr durch die Umgebung gestört, durch die sie hindurch laufen müssen, dass man an den Signalen fast nichts mehr erkennen kann, wenn sie zu uns kommen.

Selbst bei den flüchtigen Neutrinos ist das so?

Ja, selbst bei Neutrinos. Dagegen wechselwirken die Gravitationswellen noch viel schwächer mit Materie. Sie kommen fast ungehindert durch alles hindurch, was in der Umgebung vorhanden ist. Das ist andererseits auch der Grund, warum es so schwer ist, sie nachzuweisen. Aber wenn es einmal gelänge, würde man in die Zentren der Galaxien hineinschauen können und da eventuell Vorgänge verfolgen können, die man auf andere Weise nicht sieht, insbesondere Vorgänge in den Endstadien der Sternentwicklung.

Könnte man damit womöglich noch weiter in die Vergangenheit, ja vielleicht sogar bis zum Urknall zurückschauen? Ist das realistisch?

Das ist eher ein Fernziel. Zunächst einmal kommt es darauf an, dass es gelingt Gravitationswellen von Vorgängen zu sehen, von denen wir wissen, dass sie sich tatsächlich in der Natur abspielen. Das müsste man erst einmal sehen, um sicher zu gehen, dass das ganze Bild richtig ist. Dann könnte man die Gravitationswellen-Detektoren noch einmal überprüfen und eichen. Das muss erst einmal erledigt sein, ehe man sich auf die aufregenderen Dinge stürzt und Vorgänge verfolgen kann, die sich vor einigen Milliarden Jahren abgespielt haben, so dass man in die Nähe des Urknalls kommt.

Würden Sie Studenten empfehlen, sich einem solchen Forschungsgebiet zuzuwenden?

Ja. Aber es gibt in der Physik auch viele andere interessante Fragen, die offen sind, zum Beispiel im Standardmodell der Teilchenphysik oder in der Hochenergie-Astroteilchenphysik.

Die lange Zeit, die man zum Bau neuer Nachweisgeräte braucht, birgt für Nachwuchswissenschaftler auch einige Risiken.

Dieses Problem ist zunächst in der Hochenergieteilchenphysik aufgetaucht: dass nämlich große Experimente sehr lange Planungs- und Bauzeiten erfordern, sich verzögern und immer wieder wie die Wurst auf einer Brotscheibe vor einem her geschoben werden. Wenn jemand auf diesem Gebiet arbeiten will, insbesondere als Experimentator, dann muss er fast schon einen Sohn haben, der sich auch dafür interessiert, sodass er darauf hoffen kann, die Sache mit ihm zusammen zu machen.

Jürgen Ehlers (75) ist ehemaliger Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Golm: des Albert-Einstein-Instituts. Er ist ein profunder Kenner der Relativitätstheorie. Für seine Beiträge zur Einsteinschen Theorie der Schwerkraft wurde er 2002 mit der Max-Planck-Medaille geehrt, der höchsten Auszeichnung für theoretische Physik in Deutschland.

Das Interview führte Thomas de Padova.

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