Die verbogene Raum-Zeit. Newton, Einstein und die Gravitation

391 Pages·1997·4.463 MB·German

by  Harald Fritzsch

Harald Fritzsch
Die verbogene
Raum-Zeit
Newton, Einstein und die Gravitation
Mit 109 Abbildungen
Piper München Zürich
Zeichnungen: Dieter Krahl, nach Vorlagen von
Gabriele Bodenmüller
Von Harald Fritzsch liegen in der Serie Piper außerdem vor:
Vom Urknall zum Zerfall (518)
Eine Formel verändert die Welt (1325)
Quarks (1655)
Ungekürzte Taschenbuchausgabe
1. Auflage November 1997
3. Auflage Oktober 2000
© 1996 Piper Verlag GmbH, München
Umschlag: Büro Hamburg
Stefanie Oberbeck, lsabel Bünermann
Umschlagabbildung: Image Bank
Foto Umschlagrückseite: Karl-Heinz Stein
Satz: Graphic Design Studio Krahl, Zorneding
Druck und Bindung: Clausen & Bosse, Leck
Printed in Germany ISBN 3-492-22546-2
Die im nachfolgenden dargelegte Theorie bildet die denkbar weit-
gehendste Verallgemeinerung der heute allgemein als »Relativi-
tätstheorie« bezeichneten Theorie; die letztere nenne ich im
folgenden zur Unterscheidung von der ersteren »spezielle
Relativitätstheorie« und setze sie als bekannt voraus. Die
Verallgemeinerung der Relativitätstheorie wurde sehr erleichtert
durch die Gestalt, welche der speziellen Relativitätstheorie durch
Minkowski gegeben wurde, welcher Mathematiker zuerst die for-
male Gleichwertigkeit der räumlichen Koordinaten und der
Zeitkoordinate klar erkannte und für den Aufbau der Theorie
nutzbar machte.
Albert Einstein
(Anfang seiner Arbeit zur Grundlegung der
Allgemeinen Relativitätstheorie, in:
»Annalen der Physik«, 4. Folge 1916)
Inhalt
Vorwort.....................................................................................9
1. Einleitung..........................................................................11
2. Mit Einstein und Newton in Caputh..................................25
3. Raffiniert ist der Herrgott..................................................35
4. Teilchen und ihre Massen.................................................55
5. Hallers Vortrag: Das Vakuum und die moderne Physik...75
6. Masse - was ist das?..........................................................99
7. Ist die Schwerkraft eine Kraft?.......................................113
8. Das verbogene Licht.......................................................129
9. Die krumme Flachwelt....................................................141
10. Krummer Raum und kosmische Faulheit........................163
11. Die verbogene Zeit..........................................................179
12. Materie in Raum und Zeit...............................................203
13. Ein Stern verbiegt Raum und Zeit...................................213
14. Der Friedhof der Sterne...................................................229
15. Die Mauer der gefrorenen Zeit........................................243
16. Im Vorhof der Hölle........................................................255
17. Monster der Raum-Zeit...................................................267
18. Kosmische Schwebungen................................................287
19. Einsteins Eselei und das dynamische Universum...........301
20. Die Entdeckung auf dem Mount Wilson.........................321
21. Echo des Urknalls...........................................................333
22. Die ersten Sekunden........................................................353
23. Ein kosmisches Märchen.................................................363
Epilog....................................................................................389
7
Anhang:
Die Grundideen der Speziellen Relativitätstheorie...............391
Glossar..................................................................................397
Nachweis der Zitate..............................................................406
8
Vorwort
Anfang der 20er Jahre fragte ein Journalist den für seine Bonmots
bekannten englischen Astronomen und Astrophysiker Arthur
Eddington, ob es wahr sei, daß nur drei Menschen auf der Welt die
Allgemeine Relativitätstheorie verstehen würden. Als Eddington
mit der Antwort zögerte, interpretierte dies der Journalist als über-
triebene Bescheidenheit und wiederholte seine Frage. Darauf sagte
Eddington: »Ich überlege nur, wer der dritte sein könnte.«
Zweifellos hat Eddington stark untertrieben, denn zu jener Zeit
haben sich zumindest einige Dutzend Physiker und Mathematiker
mit Einsteins Theorie intensiv beschäftigt. Heute sind die
Grundzüge der Allgemeinen Relativitätstheorie den meisten
Physikern zumindest in ihren groben Umrissen bekannt. Jedoch
kann man kaum davon reden, daß die neue Interpretation, die
Einstein im Rahmen seiner Theorie dem Phänomen der Schwer-
kraft, der Zeit und dem Raum gab, einem größeren Publikum ver-
traut ist.
Die von Einstein entwickelten Vorstellungen über die Struktur
von Raum und Zeit wie auch einige der Konsequenzen seiner
Ideen, etwa bezüglich der kosmologischen Entwicklung, sollten
jedoch Teil des allgemeinen Kulturguts sein. Künftige Generatio-
nen werden sie zu den wichtigsten Erkenntnissen unseres auslau-
fenden Jahrtausends zählen. Dieses Buch möge mit dazu beitragen,
daß Einsteins Ideen nicht nur von einem kleinen Teil von Fachleu-
ten verstanden, sondern Teil der Allgemeinbildung werden. Bei der
Eröffnung der Funkausstellung in Berlin im Jahre 1930 begann
Albert Einstein seine Rede mit den Worten: »Sollen sich alle schä-
men, die gedankenlos sich der Wunder der Wissenschaft und Tech-
9
nik bedienen und nicht mehr davon erfaßt haben, als eine Kuh von
der Botanik der Pflanzen, die sie mit Wohlbehagen frißt.«1
Die ersten Kapitel dieses Buches wurden während eines Frei-
semesters, das ich am CERN in Genf verbrachte, geschrieben. Den
Kollegen der CERN-Theorieabteilung sei für die freundliche
Hospitalität gedankt. Die letzten Kapitel des Buches wurden
anläßlich eines Forschungsaufenthalts am California Institute of
Technology in Pasadena konzipiert. Den Kollegen des Physik-
Departments des Caltech gilt mein Dank für die gewährte
Unterstützung und für stimulierende Diskussionen, ebenso Mrs.
Helen Tuck für die Hilfe beim Beschaffen von Abbildungen.
Ferner danke ich Ulrich Petzold, Hanns Polanetz, Jochen Schörken
und Dr. Klaus Stadier vom Piper Verlag für viele nützliche Hin-
weise bei der Fertigstellung des Buches.
München, Februar 1996 Harald Fritzsch
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1
Einleitung
Dem Zauber dieser Theorie wird sich
kaum jemand entziehen können, der sie
wirklich erfaßt hat.
Albert Einstein1.1
Bereits gegen Ende des 19. Jahrhunderts deuteten sich die großen
weltpolitischen Veränderungen an, die letztlich zu einer Neugestal-
tung der politischen Strukturen in Europa nach dem Ersten
Weltkrieg führen sollten. Etwa um dieselbe Zeit nahm auch eine
revolutionäre Umgestaltung der Naturwissenschaften ihren An-
fang. So entwickelte der eher konservativ eingestellte deutsche
Physiker Max Planck die ersten Ideen zur Quantentheorie, die
letztlich zu einem radikalen Umbau der Physik und, mehr noch, der
Fundamente der Naturwissenschaften führten. Kurz nach dem
Beginn des neuen Jahrhunderts gab ein junger Beamter des Eid-
genössischen Patentamtes in Bern, Albert Einstein, den seit dem
ausgehenden Mittelalter festgefügten Begriffen von Raum und Zeit
eine neuartige Interpretation, indem er um 1905 die Grundlagen
der Relativitätstheorie, genauer der Speziellen Relativitätstheorie,
schuf.
Zur Zeit des ausgehenden 19. Jahrhunderts war die klassische
Physik das Modell und Vorbild für die Naturwissenschaften
schlechthin. Sie war von der klassischen Mechanik Isaac Newtons
(1643 -1727) beherrscht. Die Gesetze der Mechanik interpretierte
man als eherne Naturgesetze, die universell im Kosmos ihre
Gültigkeit hatten, ganz gleich, ob man die Bewegung von Körpern
auf der Erde untersuchte oder aber den Bewegungsablauf der
11
Planeten und Sterne im Weltraum. Der Kosmos wurde als ein rie-
siges Uhrwerk betrachtet, dessen Bewegungsabläufe von der klas-
sischen Physik bestimmt wurden. Die Grundpfeiler der Newton-
schen Mechanik waren die Stabilität und Unveränderlichkeit von
Raum, Zeitablauf und Materie im Kosmos.
Mit Einsteins Spezieller Relativitätstheorie erfuhren diese
Begriffe eine neue Deutung, die überraschende Konsequenzen
nach sich zog. So erwiesen sich Raum und Zeit als Phänomene, die
vom Zustand des Beobachters abhängig sind. Auch von der
Universalität der Masse, einem wichtigen Aspekt der Newtonschen
Physik, mußte man Abschied nehmen: Masse konnte sich unter
gewissen Bedingungen in Energie verwandeln und umgekehrt, ent-
sprechend der Einsteinschen Gleichung E = mc2, eine Folge der
Speziellen Relativitätstheorie. Diese Relation besagt, daß jedem
Stück Materie eine enorme Energie entspricht, die man erhält,
wenn man die entsprechende Masse mit dem Quadrat der
Lichtgeschwindigkeit c (c = 300.000 km/s) multipliziert. Aller-
dings läßt sich diese Energie nur in Ausnahmefällen freisetzen,
etwa bei Kernreaktionen oder bei der Explosion eines Sterns im
Kosmos (»Supernova«).
Eine der interessanten Konsequenzen der Speziellen Rela-
tivitätstheorie, deren Grundlagen Einstein im Jahre 1905 konzi-
piert hatte, ist die Vereinheitlichung von Raum und Zeit. Es erwies
sich, daß es nicht möglich ist, Raum und Zeit als zwei völlig
getrennte Phänomene zu betrachten, wie es einst Newton gelehrt
hatte. In Einsteins Theorie verschmolzen Raum und Zeit zu einer
Einheit, zur Raum-Zeit. Eine der Folgen dieser Einheit ist die
Abhängigkeit des Ablaufs der Zeit vom Bewegungszustand. In
einem schnell bewegten System läuft die Zeit langsamer ab als in
einem ruhenden, was beispielsweise zum sogenannten Zwillings-
paradoxon führt - zwei Zwillinge, der eine in Ruhe auf der Erde,
der andere in schneller Bewegung etwa in einem Raumschiff im
Weltraum, altern verschieden rasch.
Diese und andere Konsequenzen der Relativitätstheorie schei-
nen im Widerspruch zur Erfahrung zu stehen, zu den intuitiven
Vorstellungen über den uns umgebenden Raum und den anschei-
12
nend universell dahinfließenden Strom der Zeit, die in jedem
Menschen von Geburt an entwickelt sind. Aus diesem Grunde
spricht man oft auch davon, daß die Relativitätstheorie zu einem
radikalen Umsturz der Begriffe von Raum und Zeit führte. Dies ist
jedoch nicht der Fall: Vielmehr handelt es sich vornehmlich um
eine Erweiterung dieser Begriffe für Situationen, die man im tägli-
chen Leben praktisch nicht antrifft - für Prozesse, bei denen sich
Körper, etwa Atomkerne oder Elementarteilchen, mit Geschwin-
digkeiten bewegen, die der Geschwindigkeit des Lichtes von etwa
300 000 Kilometer pro Sekunde nahekommen.
Eines aber hatte die Spezielle Relativitätstheorie mit der
Newtonschen Lehre von Raum und Zeit gemeinsam: Raum und
Zeit waren nach Newtons Vorstellungen fest vorgegebene Erschei-
nungen - sie waren die Bühne, auf der die dynamischen Prozesse
der Welt stattfanden. Nichts vermochte die Struktur des Raumes
und den Ablauf der Zeit zu beeinflussen. In der Speziellen Relativi-
tätstheorie werden Raum und Zeit durch die Einheit von Raum und
Zeit - die Raum-Zeit - ersetzt. Aber auch bei letzterer handelt es
sich um einen festgefügten, ehernen Rahmen, unwandelbar und
unbeeinflußbar durch äußere Einflüsse.
Zwei Jahre nach seiner ersten Arbeit über die Spezielle
Relativitätstheorie, im Herbst 1907, beschäftigte sich Einstein erst-
mals damit, das Phänomen der Schwerkraft, also der Gravitation,
auf der Grundlage der von ihm geschaffenen neuen Interpretation
des Raumes und der Zeit näher zu verstehen. Bald wurde ihm klar,
daß die Relativitätstheorie einer beträchtlichen Erweiterung
bedurfte, um die Gravitation mit einzubeziehen.
Als universelle physikalische Kraft war die Gravitation im Jahre
1666 von dem damals 23 Jahre alten Isaac Newton in seinem
Heimatort Woolsthorpe entdeckt worden. Der Überlieferung nach
war es ein vom Obstbaum in seinem Garten auf den Erdboden fal-
lender Apfel, der Newton zu der Überlegung führte, daß diejenige
Kraft, die den Apfel nach unten zieht, dieselbe Kraft sein muß wie
die, welche den Mond auf seine Bahn um die Erde zwingt, oder die
Kraft, die von der Sonne auf die Erde ausgeübt wird, damit sie ihre
jährlichen Kreise um die Sonne zieht. Aus dieser Idee entstand das
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