Physik: Einsteins Erben

Forscher testen derzeit Albert Einsteins revolutionäre Theorien – und wollen anhand der Vorhersagen des genialen Physikers neue Fenster in den Kosmos öffnen und schlicht die ganze Welt erklären.

Für Francis Everitt ist vorige Woche der Lebenstraum in Erfüllung gegangen. 42 Jahre lang hat der heute 69-jährige Physiker an der kalifornischen Stanford University die Realisierung eines einzigen Projekts betrieben. An die 400 Physiker waren über die Jahre daran beteiligt, und gut 700 Millionen Dollar flossen in das Vorhaben.
Am vergangenen Dienstag um 18.57 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit wurde schließlich in die Tat umgesetzt, was vier Jahrzehnte lang mangelnde Technik vereitelt hatte: Von der kalifornischen Vandenberg Air Force Base startete die von der US-Weltraumbehörde NASA und der Stanford University geplante Satellitenmission „Gravity Probe B“. 16 Monate wird die Sonde im polaren Orbit in 640 Kilometer Höhe verbleiben, um eine der tragenden Säulen der Physik experimentell zu überprüfen. Gravity Probe B soll zwei Kernsätze von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie einem Praxistest unterziehen.

Entsprechend enthusiastisch wurde das Experiment kommentiert. Die Mission besitze „das Potenzial, fundamentale Eigenschaften des unsichtbaren Universums aufzudecken“, erklärte die NASA-Forscherin Anne Kinney. Die Ergebnisse, meinte der US-Physiker Robert Raesenberg, „könnten enorme Auswirkungen auf unsere Beschreibung des Kosmos“ haben und womöglich „unser Verständnis des gesamten Universums beeinflussen“.

Präzisionsarbeit. Herzstück von Gravity Probe B sind vier Gyroskope – Quarzkugeln in der Größe von Tischtennisbällen, die in einem Vakuum bei minus 271,4 Grad Celsius eingeschlossen sind. Von äußeren Einflüssen völlig abgeschirmt, rotieren die Gyroskope – die laut NASA 30 Millionen Mal präziser geformt sind als alle je zuvor konstruierten derartigen Objekte – um ihre Achsen.

Geprüft werden soll damit zunächst der geodätische Effekt: Einstein postulierte, dass die Schwerkraft nicht als Kraft, sondern als Krümmung des Raumes zu verstehen sei. Jeder Körper, etwa ein Planet, hinterlässt gewissermaßen eine Delle im Raum, wobei diese Krümmung mit der Dichte des Körpers zunimmt – je stärker die Krümmung, desto stärker die Gravitation. Weil demnach auch die Erde Beulen im Raum hinterlässt, manifestiert sich dies in einem irdischen Gravitationsfeld – was sich am Beispiel der Gyroskope auf deren Achsen auswirken muss: Deren Ausrichtung müsste geringfügig verzogen werden.

Gravity Probe B soll nun nachprüfen, ob die Vorhersagen in Bezug auf das Ausmaß dieser Verschiebung zutreffen. Dieses ist jedoch so klein, dass es sich bislang jeder Messung entzog: Es beträgt Einsteins Formeln zufolge 6,6 Bogensekunden (eine Bogensekunde entspricht einem Dreitausendsechshundertstel eines Winkelgrades) pro Jahr.

In noch kleineren Maßstäben bewegt sich das zweite Experiment. Zwei Jahre nach Publikation der Allgemeinen Relativitätstheorie errechneten die österreichischen Physiker Joseph Lense und Hans Thirring, dass auch die Rotation eines Körpers den Raum deformiert. Das Raumgefüge wird durch die Drehbewegung quasi mitgeschleift. Dieser Frame-dragging-Effekt, der ebenfalls anhand der Position der Gyroskopachsen getestet werden soll, beträgt gerade 42 Millibogensekunden pro Jahr.

Es mag merkwürdig erscheinen, dass Forscher enormen Aufwand treiben, um fast 90 Jahre alte Gesetze der Physik nachzuprüfen, die im Grunde niemand mehr anzweifelt. Doch immerhin hat Einstein mit seiner Gravitationstheorie, dem Postulat einer vierdimensionalen Raumzeit oder der Behauptung, dass Zeit nicht überall gleich schnell abläuft, das lange gültige Weltbild der Physik völlig infrage gestellt – ohne angesichts der damaligen technischen Standards irgendetwas davon experimentell beweisen zu können. Der geniale Forscher war auf Gedankenspiele und pure Mathematik angewiesen.

Bis heute mühen sich deshalb Wissenschafter in aller Welt, Einsteins Vorhersagen zu bestätigen – oder zu widerlegen, was einer Sensation gleichkäme, allerdings bis heute nie gelungen ist: Bislang hatte Einstein immer Recht.

Lichtmessung. So bekräftigten Physiker der Berliner Humboldt-Universität im August des Vorjahres Einsteins Regel, dass die Lichtgeschwindigkeit eine unveränderliche Konstante darstellt und sich Licht unabhängig vom Bezugssystem immer gleich schnell ausbreitet. Dazu wiederholten die Forscher mit modernster Technologie ein Experiment, das schon vor der Formulierung von Einsteins Thesen durchgeführt worden war – und damals für beträchtliche Verwirrung gesorgt hatte.

Bei der neuerlichen Durchführung dieses so genannten Michelson-Morley-Experiments im Vorjahr wurde Laserlicht in zwei Spiegelkonstruktionen, den Resonatoren, hin- und herreflektiert und danach die Laufzeit gemessen. Weil die Resonatoren in verschiedene Richtungen in Bezug auf die Erdbewegung wiesen, hätten sich abweichende Messwerte ergeben, wenn Einstein falsch gelegen wäre. Was nicht der Fall war: Seine Gesetzmäßigkeit wurde mit der bisher höchsten Genauigkeit bestätigt. Beim ursprünglichen Experiment, das 1881 durchgeführt worden war, hatte man mit bescheideneren Methoden dasselbe Resultat erzielt – es jedoch vorerst nicht verstanden.

Experten wie Peter Christian Aichelburg, Professor für Theoretische Physik an der Universität Wien, halten das bloße Nachprüfen von Einsteins Formeln indes für mäßig zielführend. „Man will zwar herausfinden, wie zutreffend die Relativitätstheorie ist“, weiß auch Aichelburg von einer Vielzahl diesbezüglicher Initiativen. „Aber das bloße Testen von Effekten, die bekannt sind, hat nicht Priorität. Es geht vor allem darum, Einstein zu nutzen, um etwa neue Fenster in den Kosmos zu öffnen.“

Kosmische Lupe. Jüngstes Beispiel für eine Anwendung, die sich aus der Relativitätstheorie ableiten lässt, ist die Entdeckung eines 17.000 Lichtjahre von der Erde entfernten Planeten im Sternbild Sagittarius, die am 16. April bekannt gegeben wurde. Mit verfügbaren Beobachtungsinstrumenten hätte man den Himmelskörper nie entdeckt – dessen Nachweis gelang mit der Methode des „Gravitational Microlensing“.

Voraussetzung dafür ist, dass sich der Beobachtungspunkt, also die Erde, und zumindest zwei weitere Objekte auf einer Linie befinden. Weil das vom hinteren auf dieser Linie liegenden Himmelskörper abgestrahlte Licht vom davor befindlichen Objekt durch dessen Gravitation ein wenig abgelenkt wird, ensteht eine Art Lupeneffekt: Das Bild des hinteren Sterns wird vergrößert. Anhand der Krümmung des Lichts lassen sich zudem indirekt Größe und Position von Himmelskörpern berechnen. Im aktuellen Fall enthüllte die Lichtanalyse die Existenz eines Planeten, der etwa eineinhalbmal schwerer als Jupiter sein dürfte.

Auf Einblicke in die Tiefen des Kosmos hoffen Forscher zurzeit auch aufgrund einer anderen Entdeckung Einsteins. 1916 sagte er Gravitationswellen vorher: Dieses bis heute nicht nachgewiesene Phänomen entsteht laut Einstein, wenn etwa schwarze Löcher kollidieren. Die dabei freigesetzten Energien verursachen eine Deformation der Raumzeit – bis zu 40 Prozent der Masse werden als Gravitationswellen abgestrahlt und durchfluten den Kosmos.

Wellenspeicher. Um diese Quetschungen des Raumgefüges auf der Erde wahrnehmen zu können, bedürfte es extrem sensibler Messgeräte. Anfang April gaben nun japanische Forscher bekannt, mit einem neuen Gravitationswellendetektor möglicherweise über ein geeignetes Instrumentarium zu verfügen. Dieses „Laser-Interferometer gravitational-wave small Observatory in a Mine“ (LISM) besteht aus zwei jeweils 20 Meter langen und senkrecht zueinander stehenden Tunneln, die sich einen Kilometer unter der Erdoberfläche befinden. Derart von Umwelteinflüssen abgeschottet, soll messbar werden, wenn eintreffende Gravitationswellen die Tunnelarme verformen – und zwar je nach deren Ausrichtung stauchen respektive dehnen.

Mit der größten derartigen Einrichtung, dem in den USA errichteten „Laser-Interferometer gravitational-wave Observatory“ (LIGO) werden zurzeit erste Daten gesammelt. Doch selbst die LIGO-Experten, berichtet Physiker Aichelburg, seien „skeptisch, ob sie etwas finden“. Denn die zu erwartenden Signale würden selbst im günstigsten Fall an der Grenze der Messbarkeit liegen. „Es wäre ein Glück, eine Sensation“, so Aichelburg. Dennoch handle es sich um ein „ganz wichtiges Experiment. Einerseits wäre das wirklich eine neue Bestätigung Einsteins, zweitens wären Gravitationswellen so etwas wie Boten aus dem Universum.“ So könnten sie der Erforschung schwarzer Löcher dienen.

Deshalb wird bereits an einer Verfeinerung von LIGO gearbeitet und ein weiteres Detektionssystem geplant: Mittels dreier Satelliten, die Laserstrahlen aussenden, solle in etwa zehn Jahren eine entsprechende Messeinrichtung gleich direkt im All positioniert werden. Eintreffende Gravitationswellen würden die Laserstrahlen beeinflussen. „Das System würde die Erde begleiten und Signale aus verschiedenen Richtungen empfangen können“, erläutert Aichelburg.

Spukphänomen. Mitunter lieferte Einstein sogar die Inspiration für die heutige Nutzung physikalischer Phänomene, an die er selbst gar nicht glaubte. So prägte er den Begriff der „spukhaften Fernwirkung“ – jener quantenmechanischen Eigenschaft, die zwei Teilchen gleichsam auf telepathische Weise miteinander verschränkt. Einstein selbst hielt diese Vorstellung für unsinnig und für einen Beweis der Unzulänglichkeit der Quantentheorie. Doch genau diesen Effekt nutzte der Wiener Experimentalphysiker Anton Zeilinger Mitte vergangener Woche bei der Umsetzung seines jüngsten Experiments.

Im vergangenen Februar gaben auch Forscher des Georgia Institute of Technology in Atlanta im US-Bundesstaat Georgia bekannt, an einer Anwendung der spukhaften Fernwirkung zu arbeiten. Der Physiker Alex Kuzmich will Atome in einer Atomuhr miteinander verschränken und dadurch deren Präzision steigern. Üblicherweise gilt die Regel, dass sich die Genauigkeit einer Atomuhr verdoppelt, wenn man die Zahl der Atome vervierfacht. Verwendet man hingegen verschränkte Teilchen, die korrespondieren, steigt die Präzision proportional zur Zahl der Atome: Viermal so viele Atome bedeuten vierfache Genauigkeit. Gelänge es, eine auf verschränkten Teilchen beruhende Uhr zu konstruieren, würde sie laut Kuzmich erst nach 30 Milliarden Jahren um eine Sekunde falsch gehen.

Nicht minder abstrakt wirkt ein weiteres Experiment namens LATOR (Laser Astronomic Test of Relativity), das Anfang April ein Forscherteam des Jet Propulsion Laboratory der NASA vorgeschlagen hat und das ebenfalls auf eine Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie abzielt. Gleichzeitig könnte jedoch, so meinen zumindest die Physiker um Slava Turychev, eine zweite Idee mit Einsteins Theorie verglichen werden: die so genannte Stringtheorie, von der es verschiedene Varianten gibt und deren Apologeten ein nicht ganz bescheidenes Ziel verfolgen – sie wollen damit schlicht die ganze Welt erklären.

Der Hintergrund der Bemühungen ist, dass die moderne Physik zurzeit vor einem unlösbaren Rätsel steht. Zwar verfügt man über zwei etablierte Fundamente – über die Quantentheorie mit dem so genannten Standardmodell, welches den Mikrokosmos winzigster Teilchen und die in ihm herrschenden Kräfte beschreibt, und die Relativitätstheorie mit Erklärungsansätzen für den Makrokosmos, das Universum.
Das Problem: Die beiden Denksäulen vertragen sich nicht miteinander. Vor allem die Gravitation lässt sich nicht mit der Quantentheorie verknüpfen. Doch zum Zeitpunkt des Urknalls – so wird angenommen – war alles eins. Um den Ursprung der Materie erklären zu können, bedürfte es deshalb einer einzigen Formel, die beide Fundamente der Physik vereint – einer „Theory of Everything“, der Weltformel.

Die Stringtheorie, die von winzigen vibrierenden Fäden als gemeinsame Grundbausteine ausgeht (siehe Kasten links) gilt als möglicher Kandidat dafür. Allerdings sei all dies „reine Hypothese, hoch mathematisch und spekulativ“, wie Aichelburg einschränkt. Es sei keineswegs sicher, „ob es überhaupt etwas mit der Natur zu tun hat“.

Labor im Orbit. Dennoch sollen im Rahmen des LATOR-Experiments laut Turychev sowohl Vorhersagen der Relativitäts- als auch solche bestimmter alternativer Stringtheorien verglichen werden, die nur geringfügig voneinander abweichen. Dazu planen die Forscher eine Art kosmisches Großlabor: Zwei Raumsonden sollen 300 Millionen Kilometer von der Erde entfernt und in einem Abstand zueinander von fünf Millionen Kilometer positioniert werden. Beide schicken Laserstrahlen zu Empfangseinheiten der Internationalen Raumstation (ISS), welche die Erde umkreist. Einer dieser Strahlen verläuft dabei nahe an der Sonne vorbei, weshalb er – Einsteins Gravitationslehre zufolge – dem durch das Schwerefeld der Sonne gekrümmten Raum folgt und abgelenkt wird.

Weil jedoch diese Krümmung der Relativitätstheorie zufolge bloß 1,75 Bogensekunden beträgt, bedarf eine präzise Messung oder eine Erfassung allfälliger Abweichungen extrem präziser Instrumente. Bei LATOR soll nun eine Genauigkeit von zehn Milliardstel einer Bogensekunde erreicht werden, wodurch man in Messbereiche vordringen will, die selbst minimale Differenzen zwischen den Theorien registrieren.

Experten wie Aichelburg haben allerdings ihre Zweifel, ob das Unterfangen – mangels bekannter konkreter Aussagen zur Lichtabweichung in der Stringtheorie – Rückschlüsse auf deren Gültigkeit zulässt. Möglicherweise sind sich die LATOR-Forscher der nicht ganz griffigen Konzeption ihres Projekts selbst bewusst – sie hielten einen Start des Experiments im Jahr 2010 für realistisch.