Kritik an der Relativitätstheorie

Einordnung und wissenschaftlicher Status

Kritik an der Relativitätstheorie wurde besonders nach ihrer Veröffentlichung wissenschaftlich, philosophisch, pseudowissenschaftlich und ideologisch geäußert. Gründe waren eigene Gegenmodelle, Konflikte mit älteren Theorien, Ablehnung abstrakter Mathematik, Unverständnis oder behauptete Fehler. Ein Teil der ideologischen Kritik war antisemitisch motiviert.

In der Fachwelt gilt die Relativitätstheorie als widerspruchsfrei und vielfach experimentell bestätigt. Gegenwärtige Antirelativisten werden daher nicht ernst genommen; ihre Positionen werden als Wissenschaftsleugnung eingeordnet. Schlagzeilen wie „Einstein widerlegt“ beziehen sich laut Artikel meist auf Versuche oder Gedankenexperimente, die die Theorie selbst nicht treffen. Kritische Arbeiten bestehen das Peer-Review, also die fachliche Begutachtung vor Veröffentlichung, nur ausnahmsweise und erscheinen oft in Privatverlagen, alternativen Zeitschriften oder auf privaten Internetseiten.

Immer genauere Tests haben die Theorie bislang bestätigt. Forschung zur Quantengravitation versucht, Quantenphysik und allgemeine Relativitätstheorie zu vereinigen; Stringtheorie und Schleifenquantengravitation haben relativistische Grundlagen. Kleine Abweichungen wie Verletzungen der Lorentzinvarianz wären denkbar, sind aber bisher nicht nachgewiesen.

Spezielle Relativitätstheorie und frühe Experimente

Die spezielle Relativitätstheorie (SRT), 1905 von Albert Einstein eingeführt, leitet die Lorentz-Transformation aus dem Relativitätsprinzip und der Lichtkonstanz her. Das Relativitätsprinzip besagt hier, dass eine absolute Bewegung relativ zu einem Äther nicht nachweisbar sein soll. Die Theorie betrifft Raum und Zeit selbst, nicht nur elektromagnetische Effekte.

Zuvor war das „elektromagnetische Weltbild“ verbreitet: Sämtliche Naturkräfte sollten elektromagnetischen Ursprungs sein. Max Abrahams Elektronenmodell setzte ein starres, kugelförmiges Elektron voraus, war aber mit dem Relativitätsprinzip unvereinbar. Die Lorentzsche Äthertheorie nahm dagegen einen ruhenden Äther an und enthielt Lorentzkontraktion sowie Ortszeit; sie war in ihren experimentellen Vorhersagen zur SRT äquivalent. Henri Poincaré zeigte 1905, dass ein relativitätskonformes Modell mit „Poincaré-Spannungen“, einem nicht-elektromagnetischen Potential zur Stabilisierung des Elektrons, möglich ist. Das elektromagnetische Weltbild wurde zugunsten des Relativitätsprinzips aufgegeben.

Walter Kaufmanns Messungen von 1901–1903 und 1905 schienen zunächst gegen Lorentz und Einstein zu sprechen. Neue Methoden und Experimente, unter anderem von Adolf Bestelmeyer, Alfred Bucherer (1908), Hupka (1910) und Neumann (1914), stellten dies infrage. Die damaligen Kaufmann-Bucherer-Neumann-Experimente wurden 1938 als nach modernen Maßstäben ungenügend beurteilt; 1940 wurden die letzten Zweifel an der Lorentz-Einstein-Formel ausgeräumt. Die relativistische Massenveränderlichkeit war in Spektren schon ab 1917 genau bestätigt und ist in Teilchenbeschleunigern Routine.

Dayton C. Miller glaubte 1921–1926, positive Ergebnisse für einen Äther gefunden zu haben. Temperaturwirkungen und Fehler bei der Auswertung erklärten dies; Georg Joos erhielt 1930 ein negatives Ergebnis. Moderne Michelson-Morley-Varianten mit Laser und Maser haben ebenfalls negative Ergebnisse.

Beschleunigung, Lichtgeschwindigkeit und scheinbare Paradoxien

Beschleunigungen lassen sich in der SRT behandeln, aber beschleunigte und unbeschleunigte Beobachter sind nicht gleichberechtigt. Max Born entwickelte 1909 ein Modell beschleunigter Bewegung. Das Ehrenfestsche Paradoxon zeigt: Bei einer rotierenden Scheibe würde wegen der Lorentzkontraktion der Umfang kleiner, der Radius aber gleich bleiben. Max von Laue zeigte 1911, dass ein vollkommen starrer Körper wegen der endlichen Signalausbreitung unmöglich ist; beim Rotieren treten Deformationen auf.

Der Sagnac-Effekt entsteht, wenn zwei gegenläufige Signale in einer rotierenden Anordnung Interferenzstreifen verschieben. Georges Sagnac hielt dies 1913 für einen Äthernachweis, doch Laue hatte bereits 1911 eine Erklärung in der SRT gegeben. Für mitrotierende Beobachter verlieren Uhren bei Beschleunigung ihre Synchronisation; die gemessene Lichtgeschwindigkeit ist dort nicht konstant. Auch das Zwillingsparadoxon ist so erklärbar: Der Zwilling, der beschleunigt, sein Inertialsystem verlässt und zurückkehrt, ist beim Wiedersehen jünger als der Zwilling, der im Inertialsystem blieb.

Die SRT schließt Signalübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit aus, weil sie die Kausalität verletzen würde. In dispergierenden Medien kann die Gruppengeschwindigkeit größer als c sein, aber die Signal- oder Frontgeschwindigkeit übersteigt c nicht. Quantenverschränkung erlaubt ebenfalls keine direkte Informationsübertragung, da Messergebnisse zufällig sind und zusätzliche klassische Kommunikation benötigen. Scheinbare Widersprüche bei Zeitdilatation und Längenkontraktion lösen sich durch korrekte Messvorschriften und die Relativität der Gleichzeitigkeit.

Einstein entwickelte die allgemeine Relativitätstheorie (ART), weil Gravitation und beschleunigte Systeme über die SRT hinausgehen. Sie verwendet nichteuklidische, Riemannsche Geometrie. In der ART ist die Lichtgeschwindigkeit lokal konstant; über ausgedehnte Bereiche beeinflusst Raumzeitkrümmung Maßstäbe, Uhren und Lichtausbreitung, etwa bei der Shapiro-Verzögerung.

Äther und physikalische Gegenmodelle

Die Lorentzsche Äthertheorie und Einsteins SRT verwenden beide die Lorentz-Transformation und sind experimentell nicht unterscheidbar. Erstere nimmt jedoch einen unentdeckbaren bevorzugten Äther mit absolutem Raum und absoluter Zeit an; in der SRT hat ein klassischer Äther keinen Platz. Einstein bezeichnete die Raumzeit beziehungsweise später das Gravitationsfeld gelegentlich als „Äther“, meinte damit aber keinen klassischen Äther mit Bewegungszustand. Diese Terminologie setzte sich nicht durch. Auch ein Bezugssystem, in dem die kosmische Mikrowellenstrahlung isotrop ist, widerspricht der SRT nicht, da es die Gesetze in Inertialsystemen nicht verändert.

Die Theorie eines vollständig mitgeführten Äthers, auf George Gabriel Stokes (1844) zurückgehend, sollte Effekte anschaulich erklären. Sie geriet jedoch unter anderem mit Aberration, Sagnac-Effekt, Fizeau-Experiment und Michelson-Gale-Pearson-Experiment in Konflikt. Zusätzliche Annahmen über einen rotationsfreien, inkompressiblen oder gravitationsabhängig mitgeführten Äther lösten die Probleme nicht. Eine vollständige mathematische Theorie entstand nicht.

Emissionstheorien wie die von Walter Ritz verwarfen den Äther und nahmen an, dass sich Lichtgeschwindigkeit und Quellengeschwindigkeit nach der Galilei-Transformation addieren. Sie hätten aber bei Doppelsternen beobachtbare Verzerrungen der Umlaufbahnen ergeben, widersprechen dem Sagnac-Effekt und wurden in Teilchenbeschleunigern nicht bestätigt. Zudem wäre die erfolgreiche maxwell-lorentzsche Elektrodynamik einschließlich der Quantenelektrodynamik aufzugeben.

Allgemeine Relativitätstheorie und philosophische Einwände

In der ART bedeutet allgemeine Kovarianz, dass Gleichungen in beliebigen Koordinatenformen formuliert werden können. Erich Kretschmann zeigte 1917, dass dies allein keine besondere physikalische Aussage ist: Auch die Newtonsche Mechanik kann allgemein kovariant geschrieben werden. Willem de Sitter zeigte 1916 zudem, dass das Machsche Prinzip nicht vollständig erfüllt ist. Das Gravito-Inertialfeld, das Gravitation und Trägheit beschreibt, besitzt auch unabhängig von Quellen Existenz. Beschleunigung ist daher in diesem Sinn feststellbar, ohne dass daraus ein absoluter Raum folgen muss.

In der Bad-Nauheim-Debatte im September 1920 kritisierte Philipp Lenard die mangelnde Anschaulichkeit der Theorie, Einsteins Ätherbegriff, scheinbare Überlichtgeschwindigkeiten in rotierenden Systemen und „fiktive“ Gravitationsfelder. Einstein hielt den gesunden Menschenverstand nicht für ein Kriterium der Theoriegültigkeit. Der Einwand zur unvollständigen Relativität der Beschleunigung war insofern berechtigt, als das Machsche Prinzip in der ART nicht vollständig erfüllt ist. Ludwik Silbersteins Behauptungen von 1920 zur Lichtablenkung und von 1935 zum Zweikörperproblem wurden zurückgewiesen.

Philosophische Kritik missverstand die Relativitätstheorie häufig als Relativismus. Sie relativiert zwar Raum und Zeit, postuliert aber zugleich Invarianz, also Unveränderlichkeit, bestimmter Naturgesetze und der Lichtgeschwindigkeit. Neukantianer und Phänomenologen bestritten etwa, dass Raumkrümmung aus Materie und Energie folgen könne, oder sahen Dreidimensionalität und einen ideellen Zeitbegriff als unverzichtbar an. Anhänger wie Ernst Cassirer und Hans Reichenbach hielten dagegen die kantischen Annahmen eines absoluten Raumes, einer absoluten Zeit und euklidischer Geometrie für durch die Relativitätstheorie veränderbar.

Konventionalisten diskutierten, ob Geometrie und Gleichzeitigkeit durch Konventionen festgelegt werden. Hugo Dingler bevorzugte euklidische Geometrie, starre Körper und Newtons Gravitation. Vertreter des logischen Empirismus erwiderten, Newtons einfachere Grundlagen benötigten mehr Hilfshypothesen, während die ART trotz komplizierterer Grundlagen Phänomene ohne solche Zusatzannahmen erkläre. Die Protophysik von Paul Lorenzen und Peter Janich deutete Raumkrümmung als Außenseiterinterpretation um; die Mehrheitsmeinung der Physik betrachtet relativistische Geometrie als Beschreibung des wirklichen Raumes.

Öffentliche, ideologische und persönliche Angriffe

Nach den Beobachtungen einer Gruppe um Arthur Stanley Eddington 1919 wurde Einstein weltweit gefeiert. Der öffentliche „Relativitätsrummel“ rief zugleich Gegenreaktionen hervor. Einige Experimentalphysiker wie Philipp Lenard, Johannes Stark und Ernst Gehrcke wandten sich gegen die Mathematisierung, besonders durch Hermann Minkowski, und verlangten mehr Anschaulichkeit. Außerhalb der Wissenschaft verbreiteten „Welträtsellöser“ eigene, meist mechanische oder elektrische Erklärungsmodelle und lehnten Fachterminologie und Mathematik weitgehend ab. Ihre Theorien, etwa Drucktheorien der Gravitation, wurden keine ernsthafte Konkurrenz.

Die Debatten scheiterten oft an fehlender mathematischer Kenntnis oder verzerrten Darstellungen der Theorie. Einzelne Kritiker entwickelten Verschwörungstheorien über eine angebliche Unterdrückung ihrer Ansichten. Die 1921 in den USA gegründete „Academy of Nations“ hatte keine große Wirkung und löste sich etwa 1930 auf. Die Broschüre Hundert Autoren gegen Einstein erschien 1931; sie enthielt Arbeiten oder Auszüge von insgesamt 47 Autoren sowie eine Literaturliste. Sie wurde von Reichenbach als Sammlung naiver Fehler bewertet.

Nationalistische Kritik bezeichnete Relativitäts- und Quantentheorie teils als formal-abstrakt „deutsch“ oder später als „westlich-dekadent“. In Deutschland zielten völkische Angriffe auf die jüdische Herkunft Einsteins und weiterer Vertreter moderner Physik. Paul Weyland organisierte 1919 öffentliche Kampagnen. Lenard und Stark propagierten später die antisemitische „Deutsche Physik“, die angeblich „arische Physik“ einer als „jüdisch“ bezeichneten formalen Physik gegenüberstellte. Nicht jede Kritik war antisemitisch, doch Antisemitismus prägte einen bedeutenden Teil der ideologischen Angriffe.

Plagiatsvorwürfe gegen Einstein, etwa mit Verweis auf Johann Georg von Soldner, Paul Gerber, Woldemar Voigt, Friedrich Hasenöhrl oder Menyhért Palágyi, gelten als unhaltbar: Die genannten Ansätze unterschieden sich in Herleitung und physikalischem Gehalt grundlegend von Einsteins Theorien. Wissenschaftshistoriker prüfen dagegen gelegentlich die begrenztere Frage möglicher Einflüsse Henri Poincarés auf Einstein.