Physik Wie die Schwerkraft von einer Masse zur anderen kommt

  • Erstmals ist es Physikern gelungen, Gravitationswellen aus dem Weltall nachzuweisen (lesen Sie hier mehr zu der Entdeckung).
  • Damit geht eine einhundertjährige Suche zu Ende. Lange wussten Physiker nicht, wie sie die von Albert Einstein postulierten Gravitationswellen aufspüren sollten.
  • Mehrere Versuche schlugen fehl, erst ein hochmodernes Experiment brachte den Durchbruch.
Analyse von Marlene Weiß

Man kann ganz schön Pech haben als Forscher. Ausgerechnet im Juni 1905 hat der französische Mathematiker Henri Poincaré einen Artikel über die Natur der Bewegung fertiggestellt. Poincaré schreibt: "Ich bin zu der Annahme gekommen, dass die Schwerkraft sich nicht unmittelbar überträgt, sondern mit Lichtgeschwindigkeit." Das ist damals revolutionär: Zwar weiß man längst, dass Massen einander anziehen - darum fallen Dinge auf der Erde zu Boden, darum bleibt die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne, statt haltlos durchs All zu rasen.

Aber wie kommt diese Schwerkraft von einer Masse zur anderen? Eine "onde gravifique", eine Gravitationswelle, übertrage die Kraft, glaubt Poincaré. Leider bringt der junge Patentexperte Albert Einstein kurz darauf den ersten Artikel über seine Relativitätstheorie heraus, der noch viel brillanter ist als Poincarés Arbeit - und 1905 geht als Einsteins "annus mirabilis" in die Geschichte ein, während Poincarés Artikel etwas in Vergessenheit gerät.

Physiker messen erstmals Gravitationswellen aus dem All

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Einstein kommt erst viel später dazu, sich den Schwerkraft-Wellen zu widmen. Vorher wirft er alle herrschenden Vorstellungen von Raum und Zeit über den Haufen. Ob er Poincarés Arbeit kannte, ist ungewiss. "Die Bibliothek ist in meiner Freizeit geschlossen", klagt Einstein einmal in einem Brief an einen Herausgeber, er könne sich gar keinen kompletten Überblick verschaffen. In seiner Einstein-Biografie "Raffiniert ist der Herrgott" schreibt der einstige Einstein-Mitarbeiter Abraham Pais indes, dass es Einstein einfach ziemlich egal gewesen sei, was andere so schrieben. Er kannte sich ja selbst am besten aus mit der Relativität.

Schon vor dem Ligo-Experiment versuchten sich Forscher am Nachweis der Wellen

Erst 1916 leitet Einstein aus seiner brandneuen Theorie der Gravitation ganz konkret ab, dass bewegte Körper das Gefüge von Raum und Zeit in Schwingung versetzen müssen wie ein zitterndes Gummituch - damit wird er jetzt zu Recht posthum für die Vorhersage solcher Gravitationswellen gefeiert. Allerdings stimmt seine Rechnung nicht ganz: Erst 1918 hat er das richtige Schwingungsmuster heraus.

Doch die rätselhaften Wellen lassen Einstein nicht los. Jahre später kommen ihm Zweifel, eine Weile lang glaubt er, es gebe doch keine Gravitationswellen. Es ist vertrackt: Einsteins Theorie zufolge muss auch von den Gravitationswellen selbst Schwerkraft ausgehen - als ob der Inhalt eines Briefes vom Postboten abhängt, der ihn überbringt. Zusammen mit Nathan Rosen reicht Einstein 1936 einen Artikel über seine Überlegungen beim Physical Review ein. Die Zeitschrift schickt den Text an einen Experten, was heute völlig üblich ist. Einstein bekommt ihn mit Fragen und Anmerkungen zurück. Empört beschwert er sich, dass man sein Werk zur Begutachtung herausgebe, und publiziert anderswo - der Gravitationswellen-Nachweis im Jahr 2016 erschien nun ausgerechnet in den Physical Review Letters, einem Ableger des Physical Review von damals.

Der Zusammenstoß von Schwarzen Löchern ist eins der energiereichsten Ereignisse des Universums. Anhand eines solchen Zusammenpralls konnten Physiker nun Gravitationswellen aufspüren.

(Foto: imago/Science Photo Library)

Nach Einsteins Tod 1955 verbreitet sich die Auffassung, dass es die Wellen wohl geben müsse, nur wie sollte man sie je messen? Die ersten ernsthaften Versuche unternimmt in den Sechzigerjahren Joseph Weber an der University of Maryland. Zwei schwere Aluminiumzylinder, aufgehängt in zwei weit voneinander entfernten Laboren, sollten von Gravitationswellen parallel zum Schwingen gebracht werden. Ab 1969 behauptet Weber mehrfach, Wellen aus der Tiefe des Alls gemessen zu haben, aber seine Ergebnisse können nie reproduziert werden - wie auch, sein Aufbau ist dafür längst nicht empfindlich genug.

Der erste indirekte Nachweis gelingt 1974: Den US-Astronomen Russell Hulse und Joseph Taylor war aufgefallen, dass zwei extrem massereiche, einander umkreisende Neutronensterne immer näher aufeinander zutrudelten - offenbar gaben sie Energie ab. Die einzige mögliche Erklärung waren Gravitationswellen. 1993 erhalten Hulse und Taylor den Nobelpreis.

In den 1970er-Jahren kommen schließlich Laser-Detektoren auf, wie sie auch im Ligo-Experiment verwendet werden. 1975 entsteht in München ein erster Prototyp, Länge der Arme: ganze drei Meter. Ligos Arme messen jeweils vier Kilometer, schon das macht sie viel empfindlicher. Aber erst mit der jüngsten technischen Verbesserung reicht die Genauigkeit aus, um endlich den ersehnten direkten Nachweis von Gravitationswellen zu liefern - und das in einer Deutlichkeit, die Physiker weltweit überzeugt. Das war vor zwei Jahren anders, als Forscher mit einem Teleskop am Südpol meinten, in der Strahlung aus dem All Spuren von Gravitationswellen zu sehen: Schnell wurden Zweifel laut, am Ende mussten die Physiker zurückrudern, Staub im All hatte ihre Messung verzerrt.

"Als Theoretiker kann man nur abwarten, dass die Experimentatoren sich irgendwie einig werden, ob Gravitationswellen nun wirklich beobachtet wurden", schrieb Nobelpreisträger Steven Weinberg etwas entnervt in seinem klassischen Lehrbuch der Gravitation; das war 1972. Nun hat das Warten wohl ein Ende.

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