Raum ist für uns etwas Alltägliches. Wir bewegen unsere Körper im Raum und durch den Raum. Wir leben in Wohnräumen, reisen durch geografische Räume, erkunden Kulturräume, schaffen Begegnungsräume und beanspruchen Freiräume. Raum erfahren wir aber auch im zwischenmenschlichen Austausch, etwa wenn wir in reale oder virtuelle Interaktionsräume eintreten. Auch in unserem Inneren gibt es Raum, Wahrnehmungsräume etwa, oder Denkräume. Ohnehin ist Raum immer auch Bewusstseinsraum, da wir äussere und innere Räume nur durch unser Bewusstsein erfahren können. Jedenfalls spielt sich unser Leben so selbstverständlich im Raum und in Räumen ab, dass wir kaum je darüber nachdenken, was Raum eigentlich ist.
Frühe Philosophen haben im Rahmen kosmologischer Vorstellungen über den Raum nachgedacht: Ist Raum endlich oder unendlich? Ist er materiell oder nicht materiell? Gibt es ein Vakuum, also leeren Raum, oder nicht? Abhängig von ihrem Wissen und ihrem Weltbild haben die Menschen diese grundlegenden Fragen durch die Jahrhunderte hindurch immer wieder neu beantwortet. Ab dem 17. Jahrhundert wurde der Raum mit den Mitteln der klassischen, massgeblich von Isaac Newton geprägten Physik erforscht. Frühe Physiker beschrieben den Raum noch weitgehend so, wie wir ihn aus unserer Alltagserfahrung kennen: als eine Art Bühne, auf der die Körper und Elementarteilchen ihr Spiel in drei Dimensionen und nach dem Drehbuch der Naturgesetze spielen.
Im Laufe des 20. Jahrhunderts jedoch veränderte sich das physikalische Verständnis des Raums erheblich. Neue Einsichten haben einerseits Albert Einsteins Relativitätstheorie gebracht, die das Licht, die Zeit und den Raum in kosmischen Massstäben beschreibt. Hier ist der Raum – zusammen mit der Zeit zur „Raumzeit“ vereinheitlicht – nichts Statisches, sondern weist insofern eine flexible Geometrie auf, als er sich unter bestimmten Umständen verkürzt und krümmt. Die Quantenphysik andererseits erforscht den Raum im Bereich des Allerkleinsten, also der Elementarteilchen. Laut der Quantenfeldtheorie entstehen und vergehen im leeren Raum, im Vakuum, spontan Teilchen-Antiteilchen-Paare. Diese sog. Vakuum- oder Quantenfluktuationen und ihre Wechselwirkungen lassen sich als grundlegende Struktur des Raumes verstehen. Noch weiter gehen Ansätze, die den Raum selbst als emergentes Phänomen begreifen. Dies bedeutet, dass der Raum selbst nicht fundamental ist, sondern aus tiefer liegenden Strukturen entsteht, ähnlich wie die uns bekannte Materie aus dem Zusammenspiel von Elementarteilchen entsteht. Viele Physikerinnen und Physiker hoffen, dass sich auf dieser tiefer liegenden Ebene die Relativitätstheorie und die Quantentheorie zu einer Theorie der „Quantengravitation“ vereinigen lassen. Seit gut einem Jahrhundert wird nach so einer vereinheitlichten „Theorie von allem“ gesucht, die sowohl die mikroskopische wie auch die makroskopische Welt beschreiben kann. Die beiden vielversprechendsten Ansätze hierzu sind die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation – beide haben durch Berechnungen spezielle Strukturen modelliert, durch die der Raum erzeugt wird.
Aus heutiger physikalischer Sicht ist Raum also keine statische Bühne, wie es unsere Alltagserfahrung nahelegt. Sondern Raum ist ein dynamisches Gebilde und selbst Teil des natürlichen Schauspiels. Betrachten wir die Effekte und Strukturen, die die genannten physikalischen Theorien dem Raum zuschreiben, können wir einige Parallelen zum Sehen mit dem inneren Sinn und zur Leuchtstruktur erkennen (Tausin 2010, 2023, vgl. News 3/10). Könnte die Leuchtstruktur und ihre Effekte also die Grundlage dessen sein, was wir „Raum“ nennen? Könnte Bewusstsein sogar identisch sein mit dem Raum? In diesem ersten Teil des Artikels wenden wir uns der Relativitätstheorie von Albert Einstein zu.
Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie
Wir kennen es aus dem Alltag: Ein Auto rast mit 100 km/h an uns vorbei. Doch seine Geschwindigkeit erscheint uns unterschiedlich, abhängig davon, ob, wie schnell und in welche Richtung wir uns selbst bewegen. Stellen wir uns vor, wir messen die relative Geschwindigkeit des Autos, das immer mit 100 km/h fährt. Wenn wir am Strassenrand stehen, haben wir 0 km/h und messen entsprechend 100 km/h für das vorbeirasende Auto. Wenn wir uns mit 70 km/h in dieselbe Richtung bewegen, dann überholt uns das Auto mit einer relativen Geschwindigkeit von 30 km/h. Wenn es uns stattdessen entgegenkommt, kreuzt es uns mit 170 km/h.
Physiker der klassischen Ära gingen davon aus, dass dies für alle bewegten Dinge gilt, auch für das Licht. Dass also auch die Lichtgeschwindigkeit relativ zur Geschwindigkeit des Beobachters bzw. des Messapparates sein müsste. Um 1900 wurde durch eine Reihe von Experimenten jedoch klar, dass das Licht eine Geschwindigkeit von fast 300‘000 km/s hat, und zwar unabhängig davon, wie schnell und in welche Richtung sich ein Beobachter bewegt. Das ist so, als würde das Auto, das mit 100 km/h fährt, immer mit einer relativen Geschwindigkeit von 100 km/h an uns vorbeirauschen, ganz egal, ob wir am Strassenrand stehen oder mit 30, 50 oder 70 km/h unterwegs sind – oder sogar in die Gegenrichtung fahren.
Wie konnte sich das Licht so absolut und damit so anders bewegen als alles, was wir kennen? Um dieses Rätsel zu lösen, hat Albert Einstein einen radikalen Schritt vorgeschlagen: Die Geschwindigkeit eines Objekts, so wusste man, hing vom Weg und von der Zeit ab, gemäss der Formel:
Geschwindigkeit = Wegstrecke / Zeit
Bei der Lichtgeschwindigkeit schien sich die Sache aber umgekehrt zu verhalten: Wenn es nur eine absolute, und keine relative Lichtgeschwindigkeit gab, so schloss Einstein, dann musste der Weg sowie die Zeit relativ sein. Einstein schlug also vor, den Raum und die Zeit nicht mehr als die Naturkonstanten zu verstehen, für die man sie seit jeher gehalten hatte. Sondern er stellte die These auf, dass der Raum und die Zeit für unterschiedliche Bezugssysteme unterschiedlich sein mussten. Bewegt sich ein Körper beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit, dann müsste ein ruhender Beobachter erstens sehen, dass sich für diesen Körper der Raum verkürzt, also auch der Körper selbst gestaucht wird (sog. Längenkontraktion). Zweitens würde sich für den Körper die Zeit dehnen, seine Uhr ginge also langsamer (sog. Zeitdilatation). Und als dritter Effekt nimmt auch die Masse des beschleunigten Körpers zu (sog. relativistische Massenzunahme). Dies sind die drei Grundsätze, die Albert Einstein in seiner Speziellen Relativitätstheorie vorhergesagt hat, und die später gemessen und somit bestätigt werden konnten.