Albert Einstein, E=mc² und die Energie der Sterne

Heute ist nicht nur der Pi-Tag, sondern auch der Geburtstag eines der größten Wissenschaftler des letzen Jahrhunderts: Albert Einstein wäre heute 130 Jahre alt gewesen. Mit seiner speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie hat er die moderne Wissenschaft geprägt wie kein anderer einzelner Wissenschaftler.

Und er hat die Formel entwickelt, die wohl heute weltweit am bekanntesten aller physikalischen Formeln ist: E=mc². Masse und Energie sind äquivalent. Erst durch diese Formel war es Astronomen möglich, zu verstehen, wie Sterne ihre Energie produzieren. 

Lange konnte man nicht verstehen, woher die Sonne ihre Energie bekommt. An einer Antwort zu dieser Frage war zu Beginn im ausgehenden 19. Jahrhundert besonders interessiert – denn mit ihr direkt zusammen hängt die Frage nach dem Alter der Sonne. Würde man z.B. annehmen, die Sonne wäre eine riesige Kugel aus Kohle, die langsam verbrennt, dann kann sie – verglichen mit den langen geologischen Zeiträumen der Erdgeschichte, die Wissenschaftler damals gerade begannen zu erforschen – nicht sehr alt sein.

Manche Forscher glaubten gar, die Sonne selbst sei nicht für die Strahlung verantwortlich, sondern eine sie umgebende, leuchtende Schicht. John Herschel – Sohn des berühmten William Herschel, Entdecker des Uranus – meinte 1801, die Sonne sei eine kalte, feste, erdähnliche Kugel, die von einer leuchtenden Wolkenschicht umgeben sei. Die Löcher in dieser Schicht würden wir als Sonnenflecken sehen (damit konnten einige Aspekte der beobachteten Geometrie der Sonnenflecken erklärt werden). Herschel war auch der Meinung, die Sonne könnte bewohnt sein – eine Ansicht übrigens, die im 18. Jahrhundert weit verbreitet und von vielen Wissenschaftlern geteilt wurde.

Erst die Entwicklung der Spektralanalyse von Kirchhoff zeigte, das die äußerste Schicht der Sonne die glühende Oberfläche eines darunterliegenden festen oder flüssigen Körpers ist. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts konnten John Herschel und andere (Angelo Secchi, Herve Faye) zeigen, dass verschiedene Teile der Sonne verschieden schnell rotieren – sie kann also kein Festkörper sein.

Damit wurde auch die Frage nach der Energieproduktion wieder interessant. Julius Robert Meyer (von ihm stammt u.a. eine der ersten Formulierungen des Energieerhaltungssatzes) meinte, auf die Sonne einstürzende Meteoriten könnten die Energie für ihre Strahlung liefern. Aber hier wäre die benötigte Masse so groß, dass man das eigentlich beobachten können müsste (die wachsende Sonnenmasse hätte messbare Auswirkungen auf die Umlaufbahn der Erde).

Helmholtz und Kelvin vermuteten Mitte des 19 Jahrhunderts, die Sonne könnte langsam kontrahieren und würde dadurch Energie gewinnen. Damit könnte man das Alter der Sonne auf einige Millionen Jahre festlegen. Das stand aber im Widerspruch zu den Ergebnissen der Forschung an den frisch entdeckten radioaktiven Materialien, die zeigten, dass die Erde selbst schon einige Milliarden Jahre alt sein musste.

Die Lösung kam erst durch Albert Einstein. Er zeigte, dass Masse in Energie umgewandelt werden kann. Arthur Eddington demonstrierte dann, dass in der Sonne Wasserstoff zu Helium fusioniert werden kann und dass die daraus entstehende Energie laut Einsteins Formel ausreichen kann, um die beobachtete Energieabstrahlung für einige Milliarden Jahre zu garantieren.

Das war allerdings noch nicht das Ende der Geschichte. Erst musste noch die Quantenmechanik (zu deren Entwicklung Einstein übrigens ebenfalls maßgeblich beigetragen hat) bemüht werden, um die letzten Lücken der Theorie zu füllen. Denn eigentlich wäre die Sonne zu kalt, um eine ausreichende Anzahl an Fusionen zu garantieren. Erst 1929 war es Robert Atkinson und Fritz Houtermans möglich zu zeigen, dass unter Berücksichtigung des Tunneleffekts (der es Teilchen erlaubt, unter gewissen Umständen Potentialbarrieren zu überwinden, die die klassische Physik nicht überwindbar gewesen wären) ausreichend Fusionen erzeugt werden.

Und erst vor knapp 50 Jahren, Mitte des 20. Jahrhunderts wurden die genauen Reaktionsketten identifiziert, mit denen die Sonne laut Einsteins E=mc² die Energie erzeugt (Proton-Proton-Reaktion)

Dank Albert Einstein wissen wir nun also, wie unsere Sonne (und alle anderen Sterne) ihre Energie erzeugen. Das war aber natürlich bei weitem nicht alles, was man aus seinen Arbeiten gelernt hat. Vielleicht noch viel mehr als die spezielle Relativitätstheorie hat seine allgemeine Relativitätstheorie die moderne Astronomie beeinflusst. Aber dazu dann mehr ein andernmal.

Das Schlußwort überlasse ich heute Albert Einstein persönlich, der in diesem kurzen Ausschnitt über seine wohl berühmteste Formel spricht: