Kräuselung der Raumzeit

Am 22. Juni 1916 veröffentlicht Albert Einstein einige Vermutungen zur Natur so genannter Gravitationswellen. Monate zuvor hat der deutsche Astronom und Physiker Karl Schwarzschild bereits die Existenz „Schwarzer Löcher“ vorhergesagt. Doch gibt es damals keinerlei Hoffnung, dass diese beiden, aus der Einstein’schen Relativitätstheorie abgeleiteten, Spekulationen jemals eine experimentelle Bestätigung erfahren würden. Fast exakt ein Jahrhundert später, am 11. Februar 2016, wird der Weltöffentlichkeit die sensationelle Messung einer Gravitationswelle bekanntgegeben. Dieser direkte Nachweis von Schwerkraftwellen ist zugleich auch eine indirekte Bestätigung der Existenz „Schwarzer Löcher“.

Gewiss, ohne die Verwendung mathematischer Formeln ist es schwer, aus der Relativitätstheorie so etwas wie die Existenz von Gravitationswellen oder von „Schwarzen Löchern“ herzuleiten. Mit Formeln indes ist es eigentlich noch viel schwerer. Und das war schon immer so. Als Einstein 1931 als viel umjubelter Gast bei der Premiere des Chaplin-Films „Lichter der Großstadt“ in Los Angeles auftaucht, kommentiert Charlie Chaplin: „Mir jubeln sie zu, weil jeder mich zu verstehen glaubt - Ihnen jedoch jubeln sie zu, weil niemand Sie versteht.“

Um wenigstens ein intuitives Verständnis dafür zu entwickeln, welch wissenschaftlicher Durchbruch nunmehr mit dem Nachweis von Gravitationswellen gelungen ist, sei zunächst an die beiden Ausformulierungen der Relativitätstheorie erinnert: Während Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (veröffentlicht 1905) die Struktur von Raum und Zeit beschreibt, geht es in der Allgemeinen Relativitätstheorie (veröffentlicht 1916) um das Wesen der Schwerkraft. Beide Theorien sind in ihren Grundaussagen inzwischen mit geradezu unvorstellbarer Genauigkeit experimentell bestätigt worden. Die „klassische Mechanik“ Isaak Newtons wurde dabei en passant durch das „Einstein-Universum“ abgelöst.

Von 1687 an - dem Erscheinungsjahr von Newtons Principia Mathematica - bis zum „Einsteinjahr“ 1905 - gilt die klassische Mechanik als unantastbar. Für Newton ist Gravitation ein Phänomen der Massenanziehung. Die Größe der Schwerkraft ist allein von der Größe der jeweiligen Massen abhängig - nicht etwa von deren materiellen Beschaffenheit oder gar von der Art der Bewegung.

Unendlicher Raum

Der Newtonsche Raum ist eine absolute, unveränderliche Größe, charakterisiert durch die bekannten Alltagsdimensionen: Höhe, Breite und Tiefe. Der Raum ist unendlich, unbeweglich und durch keine Kraft trennbar. Er ist zudem das Werk Gottes. Und das gilt selbstverständlich auch für die Zeit. Auch sie ist nach Newton ein Phänomen des Absoluten: „Die absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf irgendeinen äußeren Gegenstand.“

Über Newtons Mechanik lassen sich immerhin alle mit der Schwerkraft zusammenhängenden Phänomene mit hinreichend großer Genauigkeit bestimmen. Das gilt für den Fall eines Apfels vom Baume bis hin zu den mondabhängigen Gezeiten auf der Erde oder für die Umlaufbahnen ferner Planeten. Einsteins Relativitätstheorie nimmt Newtons Mechanik jedoch ihre Allgemeingültigkeit. Newton ist nunmehr nur noch ein Grenzfall der Physik. Denn nach Einstein gibt es weder absolute Räume noch eine absolute Zeit - alles ist nunmehr nur noch relativ.

Nach Einstein ist der Raum nicht mehr länger eine Art von Behälter, in dem sich alle nur möglichen physikalischen Vorgänge abspielen - und zwar ohne den Raum zu beeinflussen. Zudem existiert die Zeit nicht mehr unabhängig vom Raum. Sie stellt vielmehr eine mit dem Raum verschränkte Dimension dar. Zu den drei Raum-Dimensionen (Höhe, Breite und Tiefe) kommt also die Zeit als vierte Dimension hinzu: Zeit und Raum werden zur vierdimensionalen „Raumzeit“ zusammengefasst. Und diese Raumzeit ist nicht etwa „flach“, wie noch in der Euklidischen Geometrie, sondern die Raumzeit wird durch ein jegliches Auftreten von Energie (wie etwa Masse, Strahlung oder Druck) gekrümmt. Im Gegensatz zu Newton ist also die Schwerkraft kein Phänomen der beteiligten Massen, sondern ein Phänomen der Raumstruktur. Anders ausgedrückt: Gravitation ist nach Einstein keine eigenständige Kraft mehr, sondern lediglich die von schweren Massen erzeugte Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit. Die Materie bestimmt, wie sich die Raumzeit zu krümmen hat; die Raumzeit hingegen bestimmt, wie sich die Materie zu bewegen hat.

Dies alles ist nur schwer begreiflich. Immerhin erleben wir doch Zeit und Ort stets á la Newton - nämlich als grundverschiedene Gegebenheiten. Doch das liegt allein an den vergleichsweise geringen Bewegungsgeschwindigkeiten, mit denen wir es im Alltag zu tun haben. Sobald Tempi von der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit (rund 300?000 Kilometer pro Sekunde) ins Spiel kommen, wird die Relativität von Zeit und Raum greifbar. Dann wird bei jedem Ereignis deutlich, dass sich Zeit und Ort einander wechselseitig bedingen.

Gute Theorien erlauben stets auch gute Prognosen. So kann die Allgemeine Relativitätstheorie beispielsweise exakt voraussagen, welchen Einfluss die Gravitation unserer Sonne auf das Licht anderer Sterne nimmt. Um den winzigen Winkel von 0,00049 Grad, so die Berechnung Einsteins im November 1915, werde jenes unmittelbar an unserer Sonne vorbeistreichende Sternenlicht aufgrund der Sonnengravitation gekrümmt. Der britische Forscher Arthur Eddington kann Einsteins Vorhersage sodann durch Messungen bei einer Sonnenfinsternis im Jahre 1919 glanzvoll bestätigen. Newtons Weltbild ist damit endgültig gestürzt.

Fortan dient die Relativitätstheorie Physikern als schier unversiegbare Quelle der Inspiration - und das nunmehr schon seit mehreren Generationen.

Doch was ist eine Gravitationswelle? Was ist unter einem „Schwarzen Loch“ zu verstehen? Warum ist ein ganzes Jahrhundert unentwegter Forschung vonnöten, um sich derartigen kosmischen Phänomenen erfolgreich anzunähern? Und vor allem: Was bedeutet dieses Entdeckung für die Fortentwicklung unseres (physikalischen) Weltbildes?

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass viele kosmische Phänomene überhaupt erst durch die Relativitätstheorie wahrnehmbar beziehungsweise berechenbar geworden sind. So konnte beispielsweise errechnet werden, dass bedeutend mehr Materie im Universum vorhanden sein muss, als „sichtbar“ ist. Bis zu 99 Prozent der Materie im All, so die ungeheure Vermutung, besteht aus Materie der dunkleren „unsichtbaren“ Art. Im Zentrum der Spekulation über jene „Dunkle Materie“ stehen „Schwarze Löcher“, exotische Gebilde, in denen die Gravitation alle übrigen Naturkräfte besiegt hat. „Schwarze Löcher“ entwickeln sich aus sterbenden, in sich zusammenstürzenden Sternen. Sie sind also ausgeglühte Sonnen von extrem verdichteter Materie mit extremer Anziehungskraft. Und diese kosmischen Schwerkraftfallen sind für uns völlig unsichtbar, weil selbst das Licht ihrer Anziehungskraft nicht entrinnen kann. Nähern sich zwei „Schwarze Löcher“ einander an, so ist aufgrund der wechselseitigen Anziehungskräfte eine Kollision mit nachfolgender Fusion unvermeidbar: Zunächst umkreisen sie einander und verlieren dabei beständig an Energie. Und eben diese Energie wird dann in Form von Gravitationswellen abgestrahlt. Schließlich werden die Umlaufbahnen immer enger, bis die beiden kosmischen Akteure ineinander stürzen. In unserer Galaxie (der Milchstraße) passiert so etwas schätzungsweise nur alle Millionen Jahre einmal. Die Gravitationswellen, die uns solch machtvolle kosmische Karambolagen anzeigen, breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die extrem stabile Raumzeit wird dadurch jedoch nur minimal deformiert beziehungsweise gekräuselt. Daher sind raumzeitliche Verzerrungen bislang ja auch noch nie gemessen worden.

Aber eben genau das ist am 14. September 2015 gelungen. Um diese erste Gravitationswellenmessung vorzubereiten, durchzuführen und auszuwerten, war weltweit die Kreativität und der Fleiß von über 1?000 Wissenschaftlern aus 16 Ländern gefordert. Über Monate wurden die Daten immer wieder geprüft, bevor es am 11. Februar 2016 dann auch offiziell hieß: Die Gravitationswellen existieren!

Die Messung wurde in den USA mit Hilfe zweier so genannter LIGO-Detektoren (LIGO = Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) durchgeführt: Ein gesplitteter Laserstrahl wird dabei jeweils in zwei rechtwinklig zueinander stehende vier Kilometer lange Röhren geleitet. Spiegel an den Röhrenenden werfen beide Lichtwellen sodann zurück zum Ausgangspunkt. Im Normalfall überlagern sich nun die Wellenberge und Wellentäler, so dass die beiden Laserstrahlen einander auslöschen. Verzerrt indes eine Gravitationswelle die Raumzeit, variiert die Länge der beiden Röhren minimal. Die Laserstrahlen löschen nun einander nicht mehr aus, sondern treffen stattdessen auf einen Detektor.

Für den Auf- und Ausbau des internationalen LIGO -Projektes wurden in den vergangenen vierzig Jahren 1,1 Milliarden Dollar aufgewendet. LIGO ist der empfindlichste Detektor seiner Art. Die Wahrscheinlichkeit für einen falschen Alarm beträgt ein Fehlalarm in 200?000 Jahren. Beeindruckend ist auch die Messgenauigkeit: Sie liegt unterhalb der Länge eines Protons. Protonen sind bekanntlich elektrisch positiv geladene Teilchen des Atomkerns. Um welche Dimension von „Winzigkeit“ es sich hierbei handelt, hat der Atomphysiker und TV-Moderator Harald Lesch wie folgt veranschaulicht: Wenn ein Atom so groß wie ein Fußballfeld wäre, dann entspräche das Proton einem Reiskorn, das man in den Anspielkreis legt. Beim LIGO -Detektor liegt die schier unvorstellbare Messgenauigkeit in der Tat bei weniger als einem Tausendstel des Protonendurchmessers.

Dem LIGO -Experiment verdankt die Wissenschaft folgende Erkenntnisse: Ausgangspunkt für die gemessene Kräuselung der Raumzeit war ein Ereignis in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Zwei „Schwarze Löcher“ von 29 beziehungsweise 36 Sonnenmassen Größe umkreisten einander, bis sie zu einem „Schwarzen Loch“ von 62 Sonnenmassen fusionierten. Drei Sonnenmassen wurden dabei an Energie in Form von Gravitationswellen abgestrahlt. Während die Welle in 0,2 Sekunden über die Erde hinwegraste, stellte der LIGO -Detektor fest, dass die Raumzeit um etwa die Größe eines Protons zunächst gestreckt und hernach wieder gestaucht wurde.

Bislang können Weltraum-Observatorien lediglich den „sichtbaren“ Kosmos mit Hilfe der Licht-, Radio-, Röntgen- oder Gammastrahlung erfassen. Damit gerät ihnen jedoch nur ein Prozent des Universums ins Visier. Gravitationswellenobservatorien werden uns fortan auch jene restlichen 99 Prozent des „unsichtbaren“ dunklen Kosmos erforschen lassen. Es wird also ein völlig neues Fenster zum Universum geöffnet. Was bei Einstein und Schwarzschild vor einem Jahrhundert noch Objekt der Spekulation war, ist nunmehr Gegenstand der Forschung. Doch wird dieser völlig neue Zugang zur Welt irgendeinen Einfluss auf unser Leben haben? Nach Meinung Einsteins jedenfalls haben wir da durchaus die Wahl: „Es gibt nur zwei Arten zu leben. Entweder so, als wäre nichts ein Wunder, oder so, als wäre alles ein Wunder.“

Reinhard Lassek