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Alle 54 Farbzeichnungen stammen von Gunther Schulz, teils nach Ideen von Rüdiger Vaas sowie der Vorlage folgender Publikationen: S. 12, 13, 31, 38, 41, 45, 55, 59, 67, 75, 81, 91, 92 nach R. Vaas: Jenseits von Einsteins Universum; S. 31 nach R. Vaas: Hawkings Kosmos einfach erklärt; S. 46, 84, 104, 105 wie R. Vaas: Einfach Hawking!; S. 62 nach R. Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit; S. 95, 99 nach R. Vaas: bild der wissenschaft 3/2017; S. 101 nach R. Vaas: bild der wissenschaft 4/2017. Inspirationen: S. 10: Tim & Struppi; S. 24: Ute Kraus, Hanns Ruder, Daniel Weiskopf, Corvin Zahn: Physik Journal 7-8/2002; S. 31: Domenico Giulini: Spezielle Relativitätstheorie; S. 45, 91, 92: Michael Janssen; S. 67 NASA; S. 75: Felix Geiger; S. 81: Michael Kramer; S. 116: Horst Ziegelmann: Was ist wirklich?; alle: der durch Einstein unendlich bereicherte Kosmos.

Umschlaggestaltung von Büro Jorge Schmidt unter Verwendung von vier Illustrationen von Gunther Schulz, Fußgönheim.

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In derselben Art und Aufmachung wie dieses Buch gibt es von Rüdiger Vaas und Gunther Schulz auch eine Einführung in das Leben und Werk von Stephen Hawking:

„Wichtig ist, dass man nicht aufhört zu fragen. Neugier hat ihren eigenen Seinsgrund. Man kann nicht anders, als die Geheimnisse von Ewigkeit, Leben oder die wunderbare Struktur der Wirklichkeit ehrfurchtsvoll zu bestaunen. Es genügt, wenn man versucht, an jedem Tag lediglich ein wenig von diesem Geheimnis zu erfassen. Diese heilige Neugier soll man nie verlieren.“

Es war nicht einfach, denn Albert Einsteins Aussichten im Frühjahr 1902 erschienen wenig erquicklich: arbeitslos, mittellos und sein Kind los. Dazu noch akademisch gescheitert.

Seine Hoffnung auf eine Assistentenstelle am Züricher Polytechnikum, wo er Physik und Mathematik studiert hatte, erfüllte sich nicht. Auch Anfragen in Deutschland, Holland und Italien blieben erfolglos. Und seine Doktorarbeit wurde abgelehnt. Damit erschien eine akademische Zukunft aussichtslos. Eine Anstellung im Lehramt glückte ebenfalls nicht. So musste er sehen, als Haus- und Nachhilfelehrer wenigstens etwas Geld zu verdienen. Auch sein Vater konnte ihn nach mehreren Firmenpleiten kaum mehr unterstützen und starb wenig später. Schon als Student hatte Einstein seiner Schwester gegenüber bedauert, er sei „nichts als eine Last für meine Angehörigen. Es wäre wahrlich besser, wenn ich gar nicht lebte.“

Hinzu kam eine menschliche Tragödie. Einsteins Kommilitonin und Geliebte Mileva Marić rasselte zum zweiten Mal durchs Examen und war schwanger. Seine prekäre berufliche und finanzielle Unsicherheit sowie der vehemente Widerstand seiner Eltern machten eine Heirat zunächst unmöglich. Mileva Marić gebar im Haus ihrer Eltern bei Novi Sad eine Tochter, die Einstein niemals gesehen hat. Das Kind blieb in Ungarn, und es ist wohl früh gestorben oder zur Adoption freigegeben worden.

Doch dann wendete sich das Schicksal. Einstein erhielt im Juni 1902 am Patentamt in Bern eine Stelle als „ehrwürdiger eidgenössischer Tintenscheißer“ (wie er selbst sagte). Er konnte eine bessere Wohnung mieten, Mileva heiraten – und sich wieder der Physik widmen. Sehr förderlich war dabei der Gedankenaustausch mit seinen Freunden Maurice Solovine, Conrad Habicht und Michele Besso.

Auch ohne akademische Meriten veröffentlichte er bis 1904 bereits fünf Fachbeiträge in den angesehenen Annalen der Physik. 1905 – von Wissenschaftshistorikern sein „Wunderjahr“ genannt – schrieb der damals 26-Jährige dann innerhalb von sechs Monaten fünf weitere Artikel. Sie sind im Rückblick fulminante Paukenschläge, die gleich drei Bereiche der Physik für immer verändert oder sogar mitbegründet haben.

Einstein wies nach, dass die Materie aus winzigen Bestandteilen (Atome und Moleküle) aufgebaut ist, was damals heftig umstritten war. Er erkannte, dass Strahlung und Energie nicht kontinuierlich, sondern in Portionen aufgeteilt vorkommen – das Einzige, was er selbst als „radikal“ empfand. Und er schuf mit der Speziellen Relativitätstheorie einen neuen Rahmen aller physikalischen Theorien, revolutionierte damit die alltäglichen und physikalischen Auffassungen von Raum und Zeit und entdeckte, dass Masse und Energie nicht grundverschieden, sondern wesensverwandt und gewissermaßen zwei Seiten derselben Medaille sind. Niemand sonst hatte jemals die Physik so schnell und umfassend erweitert sowie auf eine neue – und bis heute äußerst tragfähige – Grundlage gestellt.

... berichtet über Einsteins Abenteuer der Erkenntnisse. Das soll möglichst voraussetzungslos und etwas augenzwinkernd geschehen. (Wer sich für mehr Details interessiert, für die aktuellen Forschungsfronten der Grundlagenphysik und Kosmologie sowie für Einsteins bis heute nicht eingelöstes Vermächtnis einer „Weltformel“, kann beispielsweise in den anderen Büchern des Autors fündig werden.) Dabei bleiben auch die geschichtlichen Zusammenhänge und Einsteins Persönlichkeit im Blick.

Einstein war ein Sprachkünstler, davon zeugen seine geistvollen Bonmots. Es gibt sogar Bücher voller Einstein-Zitate. Doch das ist nicht alles. Auch nicht die Hauptsache. Vielmehr hat Einstein die menschliche Sprache präzisiert und erweitert – nämlich die Sprache zur Beschreibung des Universums. Und die mit mathematischer Schärfe formulierte Sprache der Physik ist ein mächtiges Werkzeug, um durch Beobachtungen und Experimente entdeckte Eigenschaften und Regelmäßigkeiten der Naturvorgänge verallgemeinert, verdichtet und so exakt wie möglich zu erfassen, am besten quantitativ. Es ist keine einfache Sprache; man muss sie erlernen wie jede Sprache. Und sie ist auch nicht in Stein gemeißelt, sondern ändert sich und wird neuen Anforderungen angepasst. Dazu gehören Übersetzungsleistungen. Tatsächlich machen diese viele von Einsteins wichtigsten Erkenntnissen erst verständlich. Sie haben das Gebäude der Physik erschüttert und die Vorstellung von Raum, Zeit, Materie, Energie und Schwerkraft für immer verändert.

Die Spezielle Relativitätstheorie kann als Übersetzung und Vereinigung zweier bis dahin unversöhnlichen Sprachen der Physik verstanden werden; damit verbunden sind neue Bedeutungen der scheinbar so vertrauten, in Wirklichkeit aber äußerst seltsamen Begriffe von Raum und Zeit, Simultanität und Gegenwart, Energie und Masse (ab hier). Mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, die zu den bedeutendsten Leistungen des menschlichen Geistes überhaupt zählt, hat Einstein dann die Sprache der klassischen Physik völlig umgewälzt, aber zugleich auch präzisiert und vollendet (ab hier). Seitdem ist die Weltbühne nicht mehr getrennt von den Schauspielen in ihr zu verstehen. Und erstmals kann das Universum als Ganzes beschrieben werden – eine ungeheuere Horizonterweiterung (ab hier). Das alles sind aber nicht nur Worte und Formeln, sondern hat sich auf dem Prüfstand im Kreuzfeuer der Kritik und dem Härtetest der Experimente glänzend bewährt. Tatsächlich ist die Relativitätstheorie inzwischen die genaueste und insofern beste Theorie in der Geschichte der Menschheit (ab hier) – und sogar im Alltag angekommen. Umso mehr verwundert es, dass ihre Sprache nicht kompatibel ist mit einer anderen, die Einstein ebenfalls geprägt hat, und mit der das Reich des Allerkleinsten erschlossen wird: die kuriose Quantenwelt (ab hier). Einstein hat bis zu seinem Lebensende daran geforscht, eine Art Universalvokabular zu entwickeln – doch sein Vermächtnis konnte bis heute noch niemand erfüllen.

Bei allem Bescheidwissen ist Einstein immer bescheiden geblieben und war sich den Grenzen seiner Erkenntnisse deutlich bewusst. „Es ist mir genug, diese Geheimnisse staunend zu ahnen und zu versuchen, von der erhabenen Struktur des Seienden in Demut ein mattes Abbild geistig zu erfassen“, meinte Einstein. Und musste sich eingestehen, bei allem Vertrauen in eine rationale Grundstruktur des Kosmos: „Das Unverständlichste am Universum ist im Grunde, dass wir es verstehen.“ In einem Brief von 1951 meinte er sogar:

„Eines habe ich in meinem langen Leben gelernt, nämlich, dass unsere ganze Wissenschaft, an den Dingen gemessen, von kindlicher Primitivität ist – und doch ist es das Köstlichste, was wir haben.“

Einstein war nicht nur ein genialer Gedankenschmied, sondern auch hartnäckig bis störrisch und ein Individualist (er bezeichnete sich oft als „Einspänner“), der das zurückgezogene Denken liebte. Er hasste Wichtigmacherei und Mittelpunktswahn – und den Rummel um ihn selbst, als er schließlich weltberühmt wurde. „Alles, was irgendwie mit Personenkult zu tun hat, ist mir immer peinlich gewesen“, meinte er in einem Brief noch in seinem letzten Lebensjahr. Schon in früher Jugend hatte er versucht, sich „aus den Fesseln des ‚Nur-Persönlichen‘ zu befreien, aus einem Dasein, das durch Wünsche, Hoffnungen und primitive Gefühle beherrscht ist“, erinnerte er sich 1946 in seinen autobiographischen Aufzeichnungen:

„Da gab es draußen diese große Welt, die unabhängig von uns Menschen da ist und vor uns steht wie ein großes, ewiges Rätsel, wenigstens teilweise zugänglich unserem Schauen und Denken. Ihre Betrachtung winkte als eine Befreiung.“

Dass nicht jeder für die Alltagspraxis, (a)soziale Klüngelei und Geselligkeit gleichermaßen geeignet ist, hat Einstein ganz deutlich empfunden. Andererseits hatte er sich ein Leben lang öffentlich engagiert, auch politisch. Dabei zeigt sich, dass die individuelle Flucht ins Objektive sehr konkret die Welt bereichern und verbessern kann. Einstein drückte es 1920 so aus:

„Der wichtigste Beitrag der Intellektuellen zur Versöhnung der Völker und zur dauernden Verbrüderung der Menschheit liegt, meiner Meinung, in ihren wissenschaftlichen und künstlerischen Schöpfungen, weil diese den Menschengeist über die persönlichen und national-egoistischen Ziele erheben.“

Raum, Zeit und E = mc²

Hätte Einstein einen Zwillingsbruder, der nach einer fast lichtschnellen Spritztour durchs All zurückkehrt, wäre für diesen viel weniger Zeit vergangen als für den auf der Erde gebliebenen Einstein.

„Wenn man mit dem Mädchen, das man liebt, zwei Stunden zusammensitzt, denkt man, es ist nur eine Minute; wenn man aber nur eine Minute auf einem heißen Ofen sitzt, denkt man, es sind zwei Stunden – das ist die Relativität.“

Jenseits der Alltagserscheinungen verbergen sich bizarre Naturgesetze und verblüffende Zusammenhänge. Winzige Massen entfesseln ungeheure Energien, Zentimeter schrumpfen nahe der Lichtgeschwindigkeit und Sekunden dehnen sich endlos. Das sind Voraussagen der Speziellen Relativitätstheorie. Mit ihr hat Albert Einstein die physikalische Beschreibung der Welt revolutioniert. Er überwand die hartnäckigen Widersprüche zwischen den Theorien der Klassischen Mechanik und des Elektromagnetismus, stellte die Beziehungen zwischen Raum, Zeit, Strahlung und Materie auf eine neue Grundlage und erschütterte die Vorstellung von einer universellen Gleichzeitigkeit. Außerdem erkannte Einstein mit seiner berühmten Formel E = mc², dass Energie und Masse eine Einheit bilden – die Voraussetzung für das Verständnis der Kernspaltung und -fusion sowie der Antimaterie. Auch wurde eine fundamentale Grenze deutlich: Normale Materie lässt sich nicht auf Licht- oder gar Überlichtgeschwindigkeit beschleunigen, weil dazu unendlich viel Energie nötig wäre.

Die Spezielle Relativitätstheorie, die Einstein am 30. Juni 1905 zur Veröffentlichung einreichte, war die Antwort auf zwei große Probleme der damaligen Physik. An ihnen arbeiteten bereits andere Wissenschaftler und kamen der Lösung zum Teil recht nah. Doch keinem gelang der radikale Perspektivenwechsel, mit dem Einstein den vertrackten Knoten durchschnitt, weil ein geduldiges Aufdröseln auf herkömmlichem Weg nicht möglich war. Übrigens war Einstein mit dem Begriff „Relativitätstheorie“ nicht besonders zufrieden. „Ich gebe zu, dass dieser nicht glücklich ist und zu philosophischen Missverständnissen Anlass gegeben hat“, schrieb er 1921 in einem Brief. Denn die Theorie erwies keineswegs alles als „relativ“; sie zeigt auch, was in allen Bezugssystemen gilt, also nicht von den subjektiven Perspektiven oder Koordinaten abhängt.

Das eine Problem war ein direkter Widerspruch zwischen Theorie und Erfahrung (oder Realität). Das andere Problem bestand in einem Widerspruch zwischen zwei in der experimentellen Erfahrung gut bewährten Theorien. Solche fatalen Schwierigkeiten sind Gift für eine einheitliche, überzeugende Weltbeschreibung – und zugleich der stärkste Antrieb für die Suche nach einer besseren.

Das erste Problem betraf die Existenz eines den ganzen Weltraum ausfüllenden Mediums: den Äther. In ihm sollte sich die elektromagnetische Strahlung – beispielsweise Licht und Radiowellen – ähnlich ausbreiten wie der Schall in der Luft. Das legte die damals schon gut etablierte Theorie des Elektromagnetismus nahe.

Wenn es einen ruhenden Äther gäbe, an den das Licht und andere elektromagnetische Wellen gebunden wären, dann müsste er sich als Ätherwind in Präzisionsexperimenten bemerkbar machen.

Wenn die Äther-Annahme stimmt, müsste sich die Geschwindigkeit von Lichtstrahlen auf der Erde unterscheiden – je nachdem, in welcher Richtung sie den Äther durcheilen. Denn die Erde müsste bei ihrem rund 30 Kilometer pro Sekunde schnellen Umlauf um die Sonne ja durch den Äther sausen, und das Licht würde sich mal mit der Bewegungsrichtung der Erde ausbreiten, mal senkrecht dazu und dann wieder entgegengesetzt. Doch raffinierte Experimente seit 1881, vor allem von den Amerikanern Albert Abraham Michelson und Edward William Morley, konnten diesen Effekt nicht nachweisen. Und laut Spezieller Relativitätstheorie darf das ätherische Medium auch nicht existieren; „die Einführung eines Lichtäthers wird sich insofern als überflüssig erweisen“, formulierte es Einstein in seiner bahnbrechenden Arbeit; sie war also auch eine Art physikalische Todesanzeige für den Äther.

Falls sich die Erde relativ zu einem absolut ruhenden Lichtäther bewegt, besitzen zwei Lichtstrahlen, die senkrecht zueinander laufen, eine unterschiedliche Geschwindigkeit. Das hat ein Experiment mit dem Michelson-Morley-Interferometer überprüft. Dabei wurde ein Lichtstrahl mittels eines halbdurchlässigen Spiegels „gespalten“ und auf zwei verschiedene Wege gelenkt, dann jeweils an einem anderen Spiegel reflektiert und schließlich wieder im Detektor zusammengeführt. Durch eine Drehung der Apparatur lässt sich diese in verschiedenen Winkeln zum hypothetischen Ätherwind ausrichten. Der Lichtstrahl in Bewegungsrichtung der Erde sollte aus der Sicht eines ruhenden Beobachters etwas langsamer sein als der senkrecht dazu. Die Folge wäre, dass die gleichzeitig ausgesandten Wellenberge und -täler der vertikalen und horizontalen Lichtstrahlen nicht simultan auf dem Detektorschirm eintreffen, wenn der Äther existiert. Diese Interferenz würde zu einem charakteristischen Streifenmuster führen – doch davon und also vom Äther zeigte sich keine Spur.