No Shadow of a Doubt: The 1919 Eclipse That Confirmed Einstein’s Theory of Relativity Daniel Kennefick Princeton University Press (2019)
Gravity’s Century: From Einstein’s Eclipse to Images of Black Holes Ron Cowen Harvard University Press (2019)
Einsteins Krieg: How Relativity Triumphed Amid the Vicious Nationalism of World War I Matthew Stanley Dutton (2019)
Im Jahr 1916 veröffentlichte Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie in allen mathematischen Details. Damit öffnete er das Fenster zu einem radikal neuen Rahmen für die Physik, der die etablierten Vorstellungen von Raum und Zeit abschaffte und Newtons Formulierung der Gravitationsgesetze ersetzte. Einsteins Revolution sollte den Lauf der Wissenschaft verändern, doch in den Jahren unmittelbar nach der Veröffentlichung gab es keinen endgültigen Beobachtungsbeweis für die Richtigkeit seiner Theorie.
Einstieg von Arthur Stanley Eddington. Der Astronom Eddington interessierte sich für Einsteins Theorie wegen ihrer weitreichenden Auswirkungen auf Astrophysik und Kosmologie und machte sich daran, sie zu beweisen. Er machte sich eine totale Sonnenfinsternis zunutze und argumentierte, dass die Ablenkung bzw. Beugung des Lichts durch die Schwerkraft der Sonne gemessen werden könne. Dies war ein entscheidender Test, da Einsteins Theorie eine Ablenkung vorhersagte, die genau doppelt so groß war wie der Wert, der sich aus Isaac Newtons Gesetz der universellen Gravitation ergab. Die benötigte Finsternis fand vor 100 Jahren, im Jahr 1919, statt. Eddington ist nun für immer mit zwei Expeditionen zu ihrer Beobachtung verbunden: von Sobral im Norden Brasiliens und von der Insel Príncipe vor der Küste Westafrikas aus. Diese bedeutsamen Unternehmungen bilden den Kern von drei Büchern zum Gedenken an den hundertsten Jahrestag: No Shadow of a Doubt von dem Physiker Daniel Kennefick, Gravity’s Century von dem Wissenschaftsjournalisten Ron Cowen und Einsteins Krieg von dem Wissenschaftshistoriker Matthew Stanley.
Einsteins Theorie, an der er acht Jahre lang arbeitete, basierte auf Erkenntnissen, die er nach der Veröffentlichung seiner speziellen Relativitätstheorie im Jahr 1905 entwickelt hatte. Einer der von der neuen Theorie vorhergesagten Effekte war, dass Lichtstrahlen, die in der Nähe eines massereichen Körpers, z. B. eines Sterns, vorbeiziehen, durch dessen Gravitationsfeld gebeugt werden sollten. Dieser Effekt war mit Hilfe der Newtonschen Gravitationstheorie qualitativ vorhergesagt worden. Verblüffenderweise hatte Newton selbst in seinem 1704 erschienenen Werk Opticks geschrieben: „Wirken nicht Körper auf das Licht in der Ferne ein und beugen durch ihre Einwirkung seine Strahlen …? Es gibt jedoch keinen Beweis dafür, dass er die Größe des Effekts berechnet hat (die erste vollständige Berechnung wurde 1804 von dem deutschen Mathematiker Johann Georg von Soldner veröffentlicht).
Newtons Theorie der Schwerkraft formulierte die Schwerkraft natürlich nicht als Folge des gekrümmten Raums. Das war Einsteins Innovation. Und als er den Effekt berechnete, bestätigte er, dass das Licht abgelenkt wird (wie in der Newtonschen Theorie), aber durch den gekrümmten Raum. Es ist diese Krümmung, die die Ablenkung verdoppelt.
Testbedingungen
Einstein stellte die allgemeine Relativitätstheorie erstmals 1915 öffentlich vor der Preußischen Akademie der Wissenschaften vor. Zu diesem Zeitpunkt war der Erste Weltkrieg mit all seinen Schrecken in vollem Gange. Im folgenden Jahr gelang es Eddington und seinem Kollegen Frank Watson Dyson – damals Direktor des Cambridge Observatory bzw. Astronomer Royal – trotz der durch den Krieg unterbrochenen Kommunikationskanäle, Einsteins veröffentlichte Arbeiten zu erhalten. Dyson erkannte sofort, dass die totale Sonnenfinsternis im Jahr 1919 ein idealer Test sein würde.
Während dieser Sonnenfinsternis würde die Sonne vor den Hyaden stehen, einem Haufen heller Sterne im Sternbild Stier. Somit wären bei der Totalität viele Sterne in der Nähe der verfinsterten Scheibe zu sehen. (Dies war entscheidend, da der von Einstein vorhergesagte Lichtbeugungseffekt bei Sternen in Sonnennähe am größten ist). Die Positionen der Sterne im Verhältnis zur Sonne konnten auf Fotoplatten aufgezeichnet und gemessen und dann mit Referenzplatten verglichen werden, auf denen die Sterne zu sehen waren, als sich die Sonne noch nicht in der Nähe des Gesichtsfeldes befand. Alle scheinbaren Verschiebungen, die durch das Gravitationsfeld der Sonne verursacht werden, konnten dann berechnet werden. Je mehr Sterne gemessen wurden, desto größer war die Chance, systematische Fehler zu korrigieren und zufällige Fehler zu verringern.
Das war die Idee. Aber es gab viele praktische Hindernisse zu überwinden, sowohl bei den technischen Aspekten der Beobachtungen als auch bei der Logistik der Expedition. Der Totalitätspfad der Sonnenfinsternis verlief von Nordbrasilien über den Atlantik nach Westafrika und machte es unmöglich, eine Expedition von Großbritannien aus zu starten, bevor die Feindseligkeiten eingestellt waren. Mit dem Waffenstillstand im November 1918 blieb gerade noch genug Zeit, um den Plan in die Tat umzusetzen. Dyson, der die Gesamtleitung der Expeditionen innehatte, blieb in England. Eddington reiste nach Príncipe; Andrew Crommelin, der am Royal Greenwich Observatory in London arbeitete, ging nach Sobral.
Die Details der beiden Expeditionen sind in No Shadow of a Doubt gut aufgehoben. Akribisch recherchiert und anschaulich geschrieben, wird der Bericht sicher zum Standardwerk über dieses faszinierende Beispiel der „Big Science“ werden. Eddington, so enthüllt Kennefick, hatte großes Glück. In Príncipe wurde er von schlechtem Wetter überrascht und konnte weniger Messungen durchführen als erhofft. Dann bedeutete ein geplanter Streik einer Dampfschifffahrtsgesellschaft, dass er nicht lange genug in Príncipe bleiben konnte, um die Sternpositionen auf seinen Platten vor Ort zu messen, und stattdessen die Analyse nach seiner Rückkehr nach England durchführen musste.
Crommelin hatte in Brasilien wesentlich bessere Bedingungen. Trotz technischer Probleme mit der Ausrüstung, die dazu führten, dass viele Platten stark verwackelt waren, waren seine Messungen entscheidend und lagen deutlich näher an der Einsteinschen Vorhersage als an der Newtonschen. Die Ergebnisse wurden im November desselben Jahres auf einer gemeinsamen Sondersitzung der Royal Society und der Royal Astronomical Society in London bekannt gegeben. Sie sorgten weltweit für Schlagzeilen.
Fragen und Bestätigung
Diese erste Schlussfolgerung von Dyson, Eddington, Crommelin und ihren Teams wurde später durch viele weitere Finsternisexperimente bestätigt. Dennoch wurde Eddington von einigen beschuldigt, die Finsternismessungen falsch gehandhabt zu haben. Kenneficks Titel „No Shadow of a Doubt“ (Kein Schatten eines Zweifels) ist daher sowohl ein Wortspiel als auch eine Absichtserklärung, diese Verdächtigungen zu zerstreuen. Kennefick erörtert die Kritikpunkte in einigen Details. Ich kann ein paar kurze Punkte hinzufügen.
Eine ist, dass Eddington bei der Analyse der Príncipe-Daten einen Plan B annehmen musste, nachdem ihn das Unglück dazu gezwungen hatte; aber meiner Meinung nach hat er nichts Unvernünftiges getan. Alle Finsternismessungen von 1919 sind tabellarisch aufgeführt (in F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). Es ist einfach und auch recht aufschlussreich, sie mit modernen statistischen Methoden zu analysieren. Ich habe dies getan und keinen Hinweis darauf gefunden, dass Eddington „die Bücher gefälscht“ hat. Es ist ein großes Unglück, dass keine der Originalplatten der beiden Expeditionen überlebt hat, denn sonst wäre es vielleicht möglich gewesen, sie mit ausgefeilterer Technik zu messen. Eddingtons Platten gingen nach seinem Tod im Jahr 1944 verloren – seine Schwester könnte sie weggeworfen haben, als sie gezwungen war, aus dem gemeinsamen Haus in Cambridge auszuziehen. Crommelins Platten scheinen im Zuge aufeinanderfolgender Umstrukturierungen am Royal Observatory verschwunden zu sein.
Gravity’s Century konzentriert sich mehr auf die umfassenderen Verzweigungen von Einsteins Theorie in der Kosmologie und Astrophysik, einschließlich schwarzer Löcher und Gravitationswellen. Mit weniger als 200 Seiten ist Cowens Buch eine luftige und angenehme Lektüre, eine willkommene Ergänzung zu den überfüllten Regalen mit Büchern zu diesen Themen.
Cowen geht auch auf Einsteins Inkarnation als kulturelle Ikone ein. Das „Wunderjahr“ 1905, in dem er Arbeiten über die Brownsche Bewegung und den photoelektrischen Effekt sowie über die spezielle Relativitätstheorie veröffentlichte, machte Einstein zum Star der Physik. Die Sonnenfinsternis-Expeditionen von 1919 taten ein Übriges, um seinen Ruf unter Physikern zu festigen und ihn zu einem internationalen Superstar zu machen. Meiner Meinung nach ist diese plötzliche Berühmtheit jedoch zumindest zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Expedition kurz nach Kriegsende stattfand. Außerdem handelte es sich um ein britisches Experiment, bei dem die Ideen eines deutschen Theoretikers getestet wurden. Nach vier schrecklichen Jahren des Todes und der Zerstörung sahen die Menschen in Einsteins Triumph vielleicht ein Symbol für eine Art Versöhnung.
Stanley teilt diese Ansicht in Einsteins Krieg. Das detaillierte und gut lesbare Buch ergänzt No Shadow of a Doubt als Bericht über die Sonnenfinsternisexpeditionen und ihren politischen Hintergrund. Es ist besonders aufschlussreich über Einsteins wissenschaftliche Arbeit und sein Privatleben im Vorfeld der folgenschweren Ereignisse von 1919 – vor allem, weil es zeigt, wie diese durch den Ersten Weltkrieg beeinflusst wurden.
Interessant an Stanleys Darstellung ist unter anderem, dass Einstein bereits 1911, noch vor der Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie, einen Versuch zur Berechnung der Lichtbeugung unternommen hatte. Sein Ergebnis war genau dasselbe wie der Newtonsche Wert. Ich habe mich gefragt, was mit seinem Ruf geschehen wäre, wenn damals Messungen durchgeführt worden wären. Wären sie ein Rückschlag gewesen? Oder hätten sie ihn nur noch mehr angespornt, die vollständige Theorie mit ihrem entscheidenden Faktor zwei zu erstellen?