2008 bringt die Sängerin Mariah Carey ein neues Album heraus. Der Titel: E=mc2. Pop trifft auf Physik. Allerdings verkündet die Diva eine sehr eigenwillige Interpretation der Gleichung: "Emanzipation ist gleich Mariah Carey zum Quadrat." Nun ja.
Es ist ein weiterer Höhepunkt in der unwahrscheinlichen Karriere dieser Formel. Naturwissenschaftliche Gleichungen wirken auf viele Menschen abschreckend. Doch E=mc2 fasziniert, wird auf T-Shirts gedruckt, ziert Hauswände und Kaffeebecher. Es ist die vielleicht berühmteste Formel überhaupt.
Warum eigentlich?
Trügerisch einfach kommt die Gleichung daher. Nur mit drei Buchstaben, die für allseits bekannte Dinge wie Energie und Masse stehen. Zusammengehalten werden sie von Grundschulmathematik. Und doch scheint diese kleine Gleichung den Blick freizugeben auf eine tiefe kosmische Wahrheit.
Die Formel steht damit stellvertretend für ihren Schöpfer, das Genie Albert Einstein. Der Physiker faszinierte einerseits mit seinen abstrakten Gedanken, die althergebrachte Weltbilder umstießen. Andererseits wirkte er durch seinen Humor und seine Aphorismen, seine wilden Haare und das Foto mit der ausgestreckten Zunge nahbar und zugänglich.
Ihren Anfang nimmt die Formel vor 120 Jahren, am 21. November 1905. Gerade einmal drei Seiten umfasst Einsteins Veröffentlichung. Trotz des überschaubaren Umfangs muss man lange suchen, um darin die berühmte Formel ausfindig zu machen. Denn Einstein schreibt die zentrale Erkenntnis nur in Worten nieder. Er nutzt weder "E" noch "m", nicht einmal das "c" ist zu finden. Erst wenig später wird es sich als Zeichen für die Lichtgeschwindigkeit durchsetzen, abgeleitet vom lateinischen celeritas, was "Schnelligkeit" bedeutet. Einstein hingegen verwendet das damals übliche V.
Die Formel bildet den Schlussstein von Einsteins Wunderjahr 1905, seines Annus mirabilis, in dem der noch junge und weitgehend unbekannte Physiker im Alleingang mehrere Revolutionen in der Physik anzettelt. Innerhalb weniger Monate liefert Einstein einen Beweis für die Existenz von Atomen, widerlegt die Annahme, dass Licht (nur) eine Welle sei, und stößt die Tür zur Quantenphysik weit auf.
Als wäre das nicht genug, verfasst er seine Spezielle Relativitätstheorie; mit ihr widerlegt er unser Alltagsverständnis von Raum und Zeit. Er hat das Werk bereits niedergeschrieben und an die Fachzeitschrift "Annalen der Physik" geschickt, da fällt ihm eine "sehr interessante Folgerung" auf. In einem Gedankenexperiment erkundet er, was mit einem Objekt passiert, das Licht in alle Richtungen abstrahlt. Er erkennt: Wenn das Objekt Energie abgibt, muss sich seine Masse verringern.
Davon motiviert trifft Einstein eine kühne Aussage: "Die Masse eines Körpers ist ein Maß für dessen Energieinhalt." Anders ausgedrückt: Jegliche Masse ist eine Form von Energie. Was jeder von uns auf die Waage bringt, ist eine Summe aus Wärme, Bindungsenergie, Energie im Schwerefeld der Erde und vielem mehr.
So wie Einsteins Neudefinition von Raum und Zeit ist auch diese Gleichsetzung von Energie und Masse schwer nachzuvollziehen. Zuweilen heißt es, Masse lasse sich in Energie umwandeln. Doch es ist nicht so, dass mal das eine, mal das andere existiert, sondern Energie und Masse sind zwei verschiedene Erscheinungsformen derselben Sache.
Wann immer ein Körper Energie aufnimmt, ändert sich auch seine Masse. Davon spüren wir im Alltag allerdings nichts, denn der Effekt ist winzig. Erwärmen wir eine Tonne Wasser um 100 Grad Celsius, nimmt seine Masse um winzige fünf Mikrogramm zu. Steigen wir auf einen Fernsehturm, erhöht sich zwar unsere potenzielle Energie im Schwerefeld der Erde, doch der damit verbundene Massenzuwachs liegt gerade mal im Bereich von Nanogramm.
Dass der Effekt so klein ist, liegt am c2. Masse und Energie unterscheiden sich durch einen enorm großen Umrechnungsfaktor. Schon für sich allein hat c, also die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, einen riesigen Wert: 299.792.458 Meter pro Sekunde. In Einsteins Formel wird sie sogar quadriert, das Ergebnis liegt grob bei 100 Billiarden. Eine Änderung der Energie führt also zu einer winzigen Änderung der Masse. Eine Änderung der Masse aber führt zu einer gigantischen Änderung der Energie.
Darin stecken Segen und Fluch der Formel. Denn die Energie, die im Atom gebunden ist und die wir als Masse wahrnehmen, lässt sich freisetzen. Beispielsweise, indem man Bindungen innerhalb des Atoms spaltet, woraufhin die Bindungsenergie – der Kleber, der die subatomaren Bausteine zusammenhält – als elektromagnetische Strahlung davonfliegt.
Kernfusion und Kernspaltung bieten deshalb das Versprechen, unseren gewaltigen Energiehunger zu stillen. In nur 0,06 Milligramm Materie steckt die Energie von etwa 1500 Kilowattstunden – genug, um den Strombedarf eines Menschen für ein Jahr zu decken. Andererseits reicht die Spaltung von rund einem Kilogramm Uran oder Plutonium, um eine ganze Stadt zu vernichten, wie die Atombomben über Hiroshima und Nagasaki demonstrierten.
Dass die Menschheit einen Bombentypus geschaffen hat, mit dem sie sich größtenteils selbst zerstören kann, ist allerdings keine direkte Folge von Einsteins Formel. Denn die Gleichung verrät nicht, auf welche Weise sich aus Materie Energie gewinnen lässt.
Folgenreicher waren die Experimente von Enrico Fermi und Otto Hahn an den ersten Atomreaktoren. Sie beobachteten, dass die Spaltung von Atomkernen nicht nur viel Energie freisetzen, sondern auch eine Kettenreaktion auslösen kann. Diesen Zufallsfund hätten sie wohl auch gemacht, wenn Einstein seine Erkenntnis 1905 nicht veröffentlicht hätte. Doch Forschende wie Lise Meitner hätten vielleicht nicht so schnell realisiert, was genau in den Reaktoren passiert war – und welch zerstörerisches Potenzial darin steckte.
Deswegen bleibt die Tragödie der Atombombe eng verknüpft mit Einsteins Formel. Jene Bombe, die zwei Massaker anrichtete, Hunderttausende tötete, angeblich den Zweiten Weltkrieg beendete und einen neuen, "Kalten" Krieg startete: Diese Bombe spaltete die Zeit in ein Davor und ein Danach.
In ihr bündelt sich das 20. Jahrhundert. Sie erzählt exemplarisch vom rasanten wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt dieser Zeit, der zum Fluch wurde. Sie erzählt vom Großartigsten und vom Grausamsten, das der menschliche Geist hervorbringen kann. Eine Last, die für eine so kleine Formel eigentlich zu groß ist.
Mehr über E=mc2 und mit welchen anderen Ideen Einstein in seinem Wunderjahr 1905 unser Weltbild revolutionierte, lesen Sie in diesem Artikel.
