"Die Allgemeine Relativitätstheorie ist jetzt hundert Jahre alt. Alles, was wir über große Entfernungen messen und sehen können, ist damit erklärbar."

In der Tat besitzen die Einsteinschen Formeln fast schon seherische Qualitäten. Das bewiesen sie erstmals Ende der Zwanzigerjahre. Der US-Astronom Edwin Hubble hatte Geschwindigkeit und Entfernung der Galaxien am Himmel vermessen. Dabei stellte sich heraus, dass die Objekte umso schneller von uns fort rasen, je weiter sie entfernt sind. Der Kosmologe Jim Peebles lehrt an der Universität Princeton:

"Das spricht dafür, dass sich das Universum ausdehnt – und dass es einst einen sehr dichten, heißen Ursprung hatte: den Urknall. Wir können ganz gut nachvollziehen, wie sich das Weltall seitdem entwickelt hat. Dazu benutzen wir die Allgemeine Relativitätstheorie.

Ursprünglich hat Albert Einstein seine Formeln mit einigen wenigen Beobachtungsbefunden und viel Philosophie entwickelt. Die Theorie hatte in unserem Sonnensystem alle Tests perfekt bestanden – und dann passte sogar in den Tiefen des Universums Vieles sehr gut zum Modell. Das war erstaunlich!"

Als Einstein seine Theorie formulierte, lebten die Astronomen noch im kosmischen Idyll. Viel mehr als die Milchstraße war nicht bekannt – und so ging auch Einstein von einem ewig gleichen Universum aus. Die Beobachtungen Edwin Hubbles zertrümmerten diese Vorstellung wie einst die Entdeckung der Mondberge und Jupitertrabanten durch Galileo Galilei die antiken Ideen über den Aufbau der Welt. Doch während Galilei damit das alte geozentrische Weltmodell in die Knie zwang, war das sich ausdehnende Universum nicht der Todesstoß für die Relativitätstheorie, sondern ihr Ritterschlag, erklärt Joachim Wambsganß, Direktor am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg:

"Es ist erstaunlich, wie eben dieser junge Mann Albert Einstein es zu jener Zeit geschafft hat, die Phänomene der Natur, die noch gar nicht bekannt waren, so großartig zu beschreiben."

Ein Weltall, das expandiert und sich dabei immer weiter verdünnt. Einsteins Gleichungen hatten genau das vorhergesagt. Nur Einstein selbst hatte daran nicht glauben wollen. Völlig absurd, meinte er und brachte seine Theorie künstlich zur Ruhe, erweiterte die Gleichungen derart, dass das Universum wie gewünscht statisch wurde.

"Das war die größte Esel meines Lebens..."

... soll der große Physiker geknurrt haben, als er von Hubbles Beobachtungen hörte und seine Theorie wieder in die ursprüngliche Form brachte. Das Regelwerk der Gravitation hatte selbst seinen Schöpfer überflügelt. In den folgenden Jahrzehnten kamen viele weitere Beobachtungen ganz unterschiedlicher Phänomene im Kosmos hinzu, die alle bestens zu den relativistischen Vorhersagen passten. Und doch ist im Rückblick klar, dass die Entdeckung von Urknall und sich ausdehnendem Kosmos der Anfang vom ganz langsamen Ende der Theorie war.

In den Zwanzigerjahren – nur kurz nach der Allgemeinen Relativität – haben Physiker auch die Quantentheorie formuliert. Während das Einsteinsche Regelwerk den Kosmos beschrieb, also die Welt des ganz Großen, setzte die Quantenmechanik in der Welt des ganz Kleinen an, bei den Atomen. Beiden Theorien liegen völlig unterschiedliche Ansätze zugrunde. Schlimmer noch: Sie widersprechen sich in bestimmten Punkten.

"Gott würfelt nicht!"

... hat Albert Einstein einst geschimpft. Ihm passte nicht, dass die Quantentheorie keine exakten Vorhersagen erlaubt, anders als seine Relativität. Die Widersprüche störten zunächst kaum jemanden – gingen sich die Theorien doch buchstäblich aus dem Weg. Erst mit dem Urknall war es damit vorbei.

"Zunächst besteht keine zwingende Notwendigkeit, würde man denken, weil die Allgemeine Relativitätstheorie für die Weiten des Kosmos zuständig ist, und die Quantentheorie ist zuständig für den Mikrokosmos. In ihren Bereichen funktionieren beide Theorien sehr gut, extrem gut, kann man sogar sagen. Die Quantentheorie ist sicher die am besten getestete Theorie der Naturwissenschaft überhaupt. Man kann sich dann schon die Frage stellen: Warum kann man sich mit diesem Zustand nicht zufriedengeben?"

Hermann Nicolai, einer der führenden theoretischen Physiker unserer Zeit, ist Direktor am Albert-Einstein-Institut, dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam.

"Physikalisch wird es schon dadurch nahe gelegt, dass wir wissen, dass das Universum expandiert. Wenn wir das Ganze zurückrechnen, dann kommen wir an einem Punkt an, wo alles auf einem extrem kleinen Volumen zusammengepresst war, wo Raum und Zeit selbst erst entstanden sind. Und wenn man das verstehen will, dann muss man auch verstehen, wie Quantentheorie und Relativitätstheorie zusammenpassen."

Ganz am Anfang, im ersten aberwitzig kleinen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall, war der gesamte Kosmos noch so klein, dass allein Quanteneffekte das Geschehen prägten. Die Schwerkraft spielte zu diesem Zeitpunkt zwar noch keine Rolle, doch schon kurze Zeit später bestimmte sie die Geschicke des Universums. Wie aus einem heißen winzigen Anfangszustand unsere heutige Welt voller Planeten, Sterne und Galaxien wurde, versuchen Hermann Nicolai und seine Kollegen in aller Welt mit der String- oder Saitentheorie zu erklären. Dieses Modell, das Quantenmechanik und Relativitätstheorie vereint, könnte fast eine "Weltformel" werden. Doch die Forscherzunft beißt sich an dem Brocken die Zähne aus.

"Die Stringtheorie gibt es schon seit 1970. Aber die Theorie ist so kompliziert, dass wir auch heute noch nicht wissen, ob sie tatsächlich auf die Natur passt oder nicht."

Die Wissenschaftler sind in einer höchst unangenehmen Situation. Sie wissen, dass Quanten- und Relativitätstheorie nicht der Weisheit letzter Schluss sein können. Aber diese Theorien haben sich bei allen Tests als äußerst robust erwiesen. Es gibt noch keine Beobachtungen, die ihnen offensichtlich widersprechen. Luciano Iess von der römischen Universität La Sapienza hat im Jahr 2002 am bis dahin genauesten Test der Relativitätstheorie mitgewirkt. Seine Messungen passten auf 0,02 Promille genau zu den Vorhersagen. Iess hätte enttäuscht sein können.

"Ich war erleichtert! Man stelle sich vor, wir hätten eine Abweichung von der Relativitätstheorie gemessen. Das wäre zwar eine Riesensache gewesen, aber wir hätten große Probleme gehabt, unsere Arbeit zu veröffentlichen. Denn natürlich hätte eine andere Forschergruppe dies bestätigen müssen. Uns hätte doch zunächst niemand geglaubt."

Das ist schon fast absurd: Da wissen die Physiker, dass das Gedankengebäude Albert Einsteins mindestens einer Ergänzung bedarf – aber die Forscher haben Angst vor der Entdeckung und freuen sich, wenn der große Coup nicht gelingt. Dabei ist es nur eine Frage der Zeit, bis das Denkmal stürzt.

"In der Physik gibt es keine absoluten Wahrheiten. Der Wahrheit kann man sich nur schrittweise annähern."

Vor Isaac Newton glaubten viele Gelehrte, die Himmelskörper bewegten sich aufgrund magnetischer Effekte. Newton postulierte dagegen: Materie zieht sich an und zwischen Körpern wirken Kräfte. Sein Gravitationsgesetz herrschte mehr als zwei Jahrhunderte lang. Bis Albert Einstein auf die Idee kam, dass Raum und Zeit nicht ein unveränderliches Gerüst des Kosmos sind. Stattdessen sollte Materie die Raumzeit selbst verändern, was wiederum die Bewegung der Körper beeinflussen musste. Was wird der nächste radikale Umbruch sein?

"Offensichtlich fehlt da noch etwas in unserem Weltbild."

"Vermutlich müssen wir ganz neu denken, um es zu entdecken."

Eine Beobachtung, die klar den Vorhersagen der Relativitätstheorie widerspricht, wäre ein wichtiger Fingerzeig. Sie zwänge die Physiker, endlich die ausgetretenen Pfade zu verlassen. Womöglich liegt diese Beobachtung längst vor – seit mehr als achtzig Jahren.

"In den 30er Jahren hat man gemerkt, dass Sterne in Galaxien und Galaxien in Galaxienhaufen sich mit größerer Geschwindigkeit bewegen, als es eigentlich nach den Theorien von Newton oder Einstein der Fall sein sollte."

Ein Fehler in Einsteins Theorie? Die zu großen Geschwindigkeiten ließen einen zweiten Schluss zu: Vielleicht gab es dort draußen dunkle Materie, Materie also, die nicht leuchtet, sondern nur anzieht.

"Fritz Zwicky, ein schweizerisch-amerikanischer Astronom, hat das missing matter oder missing mass genannt."

Bis heute unterstützen fast alle Astrophysiker Zwickys Erklärungsansatz. Auch Michael Turner, Kosmologe an der Universität von Chicago, hat es jetzt mit einem Universum voll mysteriöser Dunkler Materie zu tun, die in keinem Teleskop der Welt zu erkennen ist – aber offenbar hinter den Kulissen machtvoll Regie führt.

"Dunkle Materie ist eine ganz neue Form der Materie. Der größte Teil des materiellen Universums besteht aus etwas anderem als den uns vertrauten Atomen."

Nicht erloschene Sterne, schwarze Planeten oder kalte Staubwolken sollen die unsichtbaren Massen ausmachen, sondern bislang unbekannte Partikel. So zumindest verlangt es die Theorie.

Seit Jahrzehnten nun mühen sich also die Teilchenphysiker, irgendeine Spur der Dunklen Materie in ihren Detektoren zu finden – bislang vergeblich. Und mit jedem erfolglosen Experiment wird die alternative Erklärung wahrscheinlicher:

Einsteins Theorie ist falsch.

Tatsächlich gibt es eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern, die sich mit anderen Theorien der Schwerkraft beschäftigen als nur mit der Einsteinschen Allgemeinen Relativität. Am intensivsten diskutiert wird ein Ansatz namens MOND. MOND verabschiedet sich von der Vorstellung, dass die Gravitation überall dieselbe ist. Dort, wo die Anziehungskräfte klein sind, könnte das heutige Gravitationsgesetz nicht mehr gelten.

"Die Modifizierte Newtonische Dynamik, kurz MOND, geht zurück auf Moti Milgrom im Jahr 1983. Ich bin auf diese Theorie gestoßen, als meine Galaxien-Modelle nicht mehr funktionierten. MOND hat genau das vorhergesagt, was ich beobachtet habe, im Rahmen der traditionellen Theorie aber nicht erklären konnte."

Stacy McGaugh von der Case Western Reserve Universität in Cleveland in den USA hat jahrelang mit dem kosmologischen Standardmodell gearbeitet, untersucht jetzt aber auch Alternativen. Damit begibt er sich auf glattes Parkett. Vielen Forschern erscheint der MOND-Ansatz zu künstlich, denn es gibt keinen fundamentalen physikalischen Grund, weshalb sich die Schwerkraft plötzlich ändern sollte – allerdings gibt es auch keinen, der dagegen spräche. Weltweit gibt es nur ein paar Dutzend Forscher, die MOND-Forschung betreiben – und wer immer dies tut, muss sich ein recht dickes Fell beim Kontakt mit Kollegen zulegen.

"Viele, aber nicht alle, reagieren sehr negativ. Ich kann das gut verstehen, denn auch ich wollte früher nicht glauben, dass das MOND-Modell funktionieren kann. Zudem war ich mit der Idee der Dunklen Materie aufgewachsen. Für mich war vollkommen klar, dass dieses Zeug existiert."

Wer sich intensiver mit Alternativen zur Einsteinschen Theorie und ihrer Dunklen Materie befasst wird seltener zu Konferenzen eingeladen und gilt auch schon mal als "Spinner". Bisher hat erst ein Forscher mit MOND-Erfahrung eine Professur erhalten. Üblicherweise, so beklagt Stacy McGaugh, werde jüngeren Kollegen nahe gelegt, diese Idee nicht zu ernst zu nehmen, wenn sie nicht ihre Karriere aufs Spiel setzen wollten.

"Der Streit hat leider schon einen religiösen Beigeschmack, fast wie einst beim Kampf um das geozentrische oder heliozentrische Universum. Das waren komplett unterschiedliche Ansätze. Zu beiden passten viele Beobachtungsdaten. Aber sie standen grundsätzlich im Widerspruch – und die Anhänger bekämpften sich. Zum Schluss wurden Abweichler sogar verbrannt."

Stacy McGaugh und seine Kollegen weisen zu Recht auf die Schwächen im Standardmodell hin. Aber es ist keineswegs sicher, dass ihre neue Theorie mehr ist als Flickschusterei. Jedenfalls fällt der MOND-Ansatz bei vielen Tests krachend durch, erklärt Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Er prüft die Einsteinsche Theorie und ihre Konkurrenten mit Pulsaren, kompakten Sternleichen:

"Es ist durchaus wichtig, auch andere Theorien zu überprüfen. … Oft werden diese alternativen Theorien halt für ganz spezielle Zwecke aufgestellt, wie zum Beispiel zum Erklären der Dunklen Materie und Dunklen Energie und sehr häufig denken die Leute nicht an andere Bereiche, wo die Theorie natürlich auch gelten muss. Wenn die Theorie Dunkle Materie erklärt, zum Beispiel durch Änderung des Gravitationsgesetzes, beschreibt diese Theorie dann aber auch noch die Bewegung der Pulsare richtig?"

Als wäre das Rätsel der Dunklen Materie nicht schon groß genug, kommt noch von anderer Seite Druck. In den 90er Jahren wollten die Astronomen messen, wie die gegenseitige Anziehung der Materie im All die Ausdehnung des Kosmos langsam abbremst, so wie ein nach oben geworfener Stein von der Erdanziehung abgebremst wird, bis er wieder zurückfällt. Wieder einmal wurden die Experten völlig überrascht: Von einer Verlangsamung konnte nicht die Rede sein.

"In den letzten Jahren hat es nun eine Reihe von Entdeckungen gegeben, die darauf hindeuten, dass sich die Ausdehnung nicht nur nicht abbremst, sondern sogar noch beschleunigt wird, dass durch eine Art negativen Druck alle Materie im Weltall noch voneinander abgestoßen wird. Dies wird unter dem Begriff Dunkle Energie zusammengefasst. Das ist physikalisch vielleicht nicht ganz korrekt, aber es ist schon ein griffiger Name, den hat die Astronomengemeinde gleich übernommen."

Das Universum strebt immer schneller auseinander, angetrieben von einer ominösen Dunklen Energie. Ihre Natur: unbekannt. Dazu die Dunkle Materie, die trotz intensiver Fahndung immer noch nicht ins Netz gegangen ist. Eine katastrophale Bilanz: Der Inhalt des Universums ist zu 95 Prozent unverstanden.

"Dies sind die beiden überragenden Rätsel in der Kosmologie oder ganz generell in der Physik: Wenn es die Dunkle Materie wirklich gibt, aus welchen Teilchen besteht sie? Und welche Prozesse sind verantwortlich für die Dunkle Energie?"

Dragan Huterer stammt aus Sarajewo, hat bei Michael Turner in Chicago studiert und erforscht nun an der Universität Michigan die Natur der Dunklen Energie. Dass das Weltall sich beschleunigt ausdehnen sollte, ließ die Theoretiker zunächst jubeln – denn durch die Dunkle Energie erlebt die "kosmologische Konstante" ein grandioses Comeback. Jene Größe, mit der Albert Einstein einst seine Allgemeine Relativitätstheorie auf ein ruhendes Universum getrimmt hatte und die er für den größten Fehler seines Lebens gehalten hatte.

"Im Moment sieht die Dunkle Energie wie eine kosmologische Konstante aus. Dieser Einsteinsche Zusatz sorgt jetzt genau für das immer schnellere Ausdehnen, das wir im Weltall beobachten. Die kosmologische Konstante entspricht dabei der Vakuumenergie im Universum."

Damit kommt auch die Quantenmechanik wieder ins Spiel. Denn dass das Vakuum, buchstäblich das Nichts, eine Energie hat, ist Quantentheoretikern schon lange bekannt. Jetzt beschert der traditionelle Gegenspieler der Relativität den Kosmologen eine vernichtende Niederlage. Dragan Huterer:

"Wir können die Vakuumenergie mithilfe der Quantenmechanik berechnen. Das ist die erfolgreichste Theorie unserer Tage. Sie liefert für diese Dunkle Energie im Kosmos einen Wert, der über 100 Größenordnungen über dem im All beobachteten Wert liegt. Das ist eine irrwitzig große Zahl: eine Eins mit 100 Nullen."

Um diesen unvorstellbar großen Faktor übertrifft die Theorie die Realität: Es ist die schlechteste Vorhersage der gesamten Physik. Jetzt fahnden die Forscher fieberhaft nach einem Ausweg aus der verfahrenen Situation.

"Eines unserer Ziele ist, irgendwelche Abweichungen vom Szenario der kosmologischen Konstanten zu finden. Wir messen, wie schnell Galaxien entstehen, welche großräumigen Strukturen sie formen, wie rasant sich der Kosmos ausdehnt, ob er früher mal abgebremst und dann wieder beschleunigt hat und so weiter. Durch Vergleich möglichst vieler verschiedener Beobachtungen miteinander lässt sich etwas über Dunkle Energie und Dunkle Materie aussagen. Natürlich wissen wir nicht, was uns die Natur bescheren wird."

Der junge Kosmologe will Fakten liefern, die endlich für größere Risse im Einsteinschen Gedankengebäude sorgen. Dass es 95 Prozent des Kosmos nicht erklären kann, hält er für völlig inakzeptabel.

Dagegen machen es sich andere in der absurden Welt gemütlich und pflegen die Inflationstheorie. Nach ihr hat sich der Kosmos einen Sekundenbruchteil nach dem Urknall explosionsartig aufgebläht – später ging die Ausdehnung in normalem Tempo weiter. Dieser recht willkürliche Ansatz hat vor mehr als dreißig Jahren elegant erklärt, dass das Universum überall in etwa gleich aussieht, was mit Einstein allein nicht zu verstehen war. Mit etwas mathematischem Aufwand bringt die Inflation Relativität und die geheimnisvollen 95 Prozent des Kosmos unter einen Hut – doch ihren Schöpfern ergeht es wie dem Zauberlehrling. Sie werden die Geister, die sie riefen, nicht mehr los:

"Die Inflationstheorie sagt nicht nur ein Universum voraus. Derselbe Mechanismus, der unser Universum hat entstehen lassen, sollte viele weitere Universen hervorbringen – und zwar unendlich viele. In diesem Multiversum würde es jede einzelne Art der Dunklen Energie geben. Aber Menschen, die über die Dunkle Energie nachdenken, entstehen nur dann, wenn die Energie sehr klein ist."

Alan Guth vom Massachusetts Institute of Technology, einer der Erfinder der Inflation greift zu einem raffinierten Argument: Wäre die Dunkle Energie deutlich größer, würde das All viel schneller auseinanderfliegen – Galaxien hätten gar nicht erst entstehen können und damit auch keine Astronomen, die sich heute über die so winzig kleine Dunkle Energie wundern. Paul Steinhardt von der Universität Princeton, einst selbst an der Entwicklung dieser Theorie beteiligt, kann nur noch den Kopf schütteln:

"Mein größter Einwand ist, dass die Inflation außerordentlich flexibel ist. Sie kann praktisch alle möglichen Beobachtungen erklären. Denn sie ist extrem empfindlich gegenüber den Bedingungen vor der Inflation – wenn man die ein wenig ändert, kommen sofort ganz andere Dinge heraus. Es gibt keinen Test, der die Inflation widerlegen könnte. Damit überschreiten wir die Grenze von der Naturwissenschaft zur Metaphysik – und das macht sie wissenschaftlich bedeutungslos."

Was für eine verrückte Lage: Die Relativitätstheorie bringt die Forscher zur Verzweiflung, weil sie alle Tests mit Bravour besteht. Über die Inflationstheorie jubeln viele Kosmologen, denn sie sagt alles voraus – und damit nichts. Doch Alan Guth reagiert äußerst empfindlich auf diesen Vorwurf:

"Ich glaube, dass jeder, der sich ernsthaft die Wissenschaftsgeschichte ansieht, erkennt, dass die alte Idee von Karl Popper mit den widerlegbaren Theorien obsolet ist. Danach soll man eine Theorie testen, testen und immer wieder testen, bis man ein Experiment findet, das nicht zur Theorie passt und sie somit ausschließt. Aber so funktioniert Wissenschaft heute nicht mehr.

Vielmehr ist Wissenschaft heute eine Arena konkurrierender Ideen. Und im Moment ist die Inflation die mit Abstand am weitesten akzeptierte Theorie der Kosmologie. Vielleicht findet man irgendwann etwas Besseres. Natürlich gibt es viele Varianten dieser Theorie, aber die einfachsten Inflationsmodelle passen so schön zu den Daten, dass wir meines Erachtens damit kaum falsch liegen können."

Wissenschaftliche Erkenntnis als demokratischer Prozess – eine abstruse Haltung. Jahrtausende lang waren sich fast alle Gelehrten einig, dass die Erde im Zentrum der Welt steht und von der Sonne umkreist wird. Doch mit der Wirklichkeit hatte das bekanntlich nichts zu tun... Manche sprechen bei der Inflation schon von den Epizy-keln der Neuzeit – jenem grandiosen Konstrukt aus ineinander geschachtelten Kreis-bahnen, mit dem die alten Griechen die Bewegung der Planeten beschrieben, um die Erde im Zentrum zu rechtfertigen. Mathematisch sehr elegant, physikalisch wertlos.

Kosmologen irren oft, doch nie quält sie ein Zweifel, höhnte einst der russische Astrophysiker Jakov Zeldovich über seine Zunft. Joachim Wambsganß findet die aktuelle Lage allerdings keineswegs frustrierend, sondern ungemein inspirierend:

"Ich habe kein Problem damit, dass wir noch nicht alles verstehen. Vielleicht lachen in 50 Jahren die Menschen über unsere Vorstellungen von Dunkler Materie und Dunkler Energie genauso, wie wir über die Physiker lächeln, die Ende des 19. Jahrhunderts vom Weltäther gesprochen haben, der nach damaliger Vorstellung die Welt durchfluten sollte. Er sollte transparent sein wie Vakuum, aber gleichzeitig mechanische Eigenschaften wie Stahl haben. Das war nicht lösbar. Dieses Problem hat Einstein mit einem Schlag mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie gelöst."

Die Kosmologie braucht wieder einmal einen wie Johannes Kepler – oder Albert Einstein. Der eine hat die Planeten auf Ellipsenbahnen geschickt, was damals ebenso revolutionär war wie vor hundert Jahren Einsteins neue Theorie der Gravitation. Wer schafft es jetzt, die Physiker aus der Sackgasse herauszuführen? Und wie wird unser Bild von der Welt dann aussehen?

Bei der Newtonschen Gravitationstheorie, die mehr als zwei Jahrhunderte über jeden Zweifel erhaben schien, gab es lange nur eine harmlose Kleinigkeit, die im Widerspruch zur Theorie stand: die Bahn des sonnennächsten Planeten Merkur. Diese Unstimmigkeit klärte sich auf eine Weise, mit der niemand gerechnet hatte:

"Die Theorie, die die Bewegung Merkurs erklärt, war nicht einfach Newton und etwas mehr. Es war etwas völlig Neues – die Einsteinsche Relativitätstheorie! Ich persönlich bin von der Existenz der Dunklen Materie und der Dunklen Energie überzeugt. Aber womöglich sind wir mit Urknall und Inflation auf dem Holzweg. Wir müssen endlich irgendwie verstehen, was da draußen vor sich geht. Vielleicht erwartet uns eine viel größere Revolution, als wir uns heute vorstellen."