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Nichts zieht dich nach unten – der Raum ist nur krumm

Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt Gravitation nicht als Kraft, sondern als Krümmung von Raum und Zeit, die durch Materie und Energie verursacht wird. Einstein entwickelte die Grundidee aus dem Äquivalenzprinzip – der Beobachtung, dass sich alle Körper im freien Fall gleich verhalten – und arbeitete sie zwischen 1907 und 1915 mit Hilfe der Differentialgeometrie aus, die er von seinem Freund Marcel Grossmann kennenlernte. Nach Jahren mit falschen Ansätzen fand er im November 1915 die endgültigen Feldgleichungen und stellte sie der Preußischen Akademie der Wissenschaften vor, fast zeitgleich mit einer Arbeit des Mathematikers David Hilbert, was später zu einem oft überzeichneten Prioritätsstreit führte. Die Theorie verbindet die Krümmung der Raumzeit über den sogenannten Energie-Impuls-Tensor mit der Verteilung von Masse und Energie, wobei Einstein zunächst noch eine kosmologische Konstante einführte, um ein statisches Universum zu ermöglichen, was er später bereute.

Mathematisch beschreibt die Theorie gekrümmte vierdimensionale Räume, in denen sich kräftefreie Körper entlang sogenannter Geodäten bewegen, während Gezeitenkräfte die Annäherung oder Entfernung benachbarter Bahnen erklären. Für verschiedene Situationen wurden eigene Lösungen gefunden, etwa die Schwarzschild-Metrik für nicht rotierende Massen, die Kerr-Metrik für rotierende Schwarze Löcher oder die Robertson-Walker-Metrik für ein homogenes Universum, die als Grundlage kosmologischer Modelle dient. Kurt Gödel entdeckte sogar eine mathematisch zulässige, rotierende Raumzeit, in der Zeitreisen theoretisch möglich wären, was zeigt, wie offen manche Grundannahmen wie das sogenannte Machsche Prinzip bis heute sind. Zahlreiche Effekte, von der Lichtablenkung an der Sonne über die Periheldrehung des Merkur bis zur Existenz Schwarzer Löcher, wurden inzwischen bestätigt, zuletzt 2015 durch den direkten Nachweis von Gravitationswellen.

Trotz dieser beeindruckenden Bestätigungen bleibt die Theorie mit der Quantenphysik unvereinbar, besonders bei extrem kleinen Raumzeitgebieten mit starker Krümmung, etwa im Inneren Schwarzer Löcher. Versuche, eine Quantenfeldtheorie der Gravitation zu formulieren, scheitern bislang daran, dass die daraus berechneten Größen unendlich werden und sich nicht wie bei anderen Theorien durch Renormierung beheben lassen. Ansätze wie die Stringtheorie oder die Schleifenquantengravitation versuchen, diese Lücke zu schließen, ohne dass bisher eine überzeugende, einheitliche Lösung gefunden wurde. Auch Phänomene wie der Lense-Thirring-Effekt, bei dem rotierende Massen die Raumzeit um sich herum mitziehen, werden zwar theoretisch vorhergesagt, ihr genauer experimenteller Nachweis gilt aber teils noch als umstritten.

Die beiden erfolgreichsten Theorien der Physik widersprechen einander – eine vereinheitlichte Quantengravitation gibt es über hundert Jahre später immer noch nicht.

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