Einsteins ungeliebte Entdeckung
Am 3. Oktober verkündete Göran Hanssen, Generalsekretär der Schwedischen Akademie der Wissenschaften, vor laufenden Kameras, was alle Welt erwartet hatte: Der Nobelpreis für Physik geht in diesem Jahr an Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne, die führenden Köpfe der LIGO-Kollaboration - jenes wissenschaftliche Großprojekt, das zwei Jahre zuvor erstmals Gravitationswellen nachgewiesen hatte.
Rainer Weiss sagte danach bei einer Pressekonferenz am MIT, er träume davon Einstein von dieser Entdeckung zu erzählen: „Ihm hätte das sehr gefallen, davon bin ich überzeugt. Würde ich ihm aber erzählen, dass es sich um Schwarze Löcher handelt - da bliebe ihm wohl die Spucke weg!“
Kosmische Kollision
Die Gravitationswellen, die LIGO-Forscher im September 2015 mit ihrer ultrasensiblen Messapparatur aufgefangen hatte, entstanden vor 1,3 Milliarden Jahren bei der Verschmelzung zweier Schwarzen Löcher. Dabei wurden unvorstellbare Mengen an Energie freigesetzt - mithin der Grund, warum der Raum bei diesem Ereignis erzitterte.
Kip Thorne hat die physikalischen Eckdaten dieses gewaltsamen Aktes berechnet. Der Sturm, so Thorne, war kurz, nur 20 Millisekunden lang. Doch in diesen 20 Millisekunden gab die kosmische Karambolage 50 Mal mehr Energie an ihre Umgebung ab als alle Sterne des Universums.
Die Frequenzen der Graviationswellen liegen zufälligerweise im Tonspektrum unseres Ohres. Man kann sie hörbar machen, sofern man die Schwingungen in elektrische Impulse übersetzt. Das haben die Forscher auch gemacht - das „Zwitschern“ des Universums, wie es mitunter bezeichnet wurde, klingt so:
Aus den Gravitationswellen kann man auch auf die Masse der beiden Schwarzen Löcher schließen. Sie wogen vor ihrer Verschmelzung 30 bzw. 35 Sonnenmassen. Was laut herkömmlicher Theorie unmöglich ist, weil Sterne dieser Größenordnung ihr Leben normalerweise in Form einer Explosion aushauchen - und den Großteil ihrer Materie ins Universum schleudern. Stürzt der verbliebene Rest zu einem Schwarzen Loch zusammen, bleibt ein Rest von höchstens 15 Sonnenmassen übrig, mehr geht nicht.
Das Übergewicht der Schwarzen Löcher ließe sich allenfalls dadurch erklären, dass diese bereits kurz nach der Geburt des Universums aus dem „Urbrei“ der Materie entstanden sind. Ob das stimmt, müssen die Forscher von LIGO und ihrem europäischen Gegenstück VIRGO in den nächsten Jahren klären.
Ist das real?
Einstein jedenfalls, so Rainer Weiss, hätten derartige Überlegungen wohl höchst verblüfft. Denn Schwarze Löcher zählen erst seit den 1970ern zum offziellen Inventar der Astrophysik.
An ihrer Existenz zu zweifeln, war aus damaliger Sicht auch vernünftig, sagt der amerikanische Physiker Brian Greene. Würde man aus der Erde ein Schwarzes Loch machen, müsste man sie auf etwa einen Zentimeter komprimieren. Bei der Sonne wären es ein paar Kilometer. „Das sind extreme Zustände der Materie. Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie erlauben das. Aber es war zu Einsteins Zeit keineswegs offensichtlich, dass die Natur solche Zustände auch realisiert.“
R. Hurt/Caltech-JPL
Wellen in der Raumzeit: Einstein war von seiner Entdeckung nicht überzeugt
Ähnlich verhält es sich mit den Gravitationswellen. Ob die Natur verwirklicht, was die Theorie erlaubt - das war für Einstein keineswegs so klar, wie es im Rückblick erscheinen mag. 1916 hatte er erwogen, dass es auch in der Raumzeit wellenförmige Phänomene geben könnte, analog zu den Wellen des Elektromagnetismus. Zwanzig Jahre später wandte sich Einstein, mittlerweile in die USA emigriert, dem Thema erneut zu.
Zu dieser Zeit hatte der Architekt der Allgemeinen Relativitätstheorie bereits Legendenstatus inne und war auch äußerlich zu dem geworden, was man gemeinhin mit dem Einstein-Klischee verbindet: der Weltweise mit wirrem weißen Haar.
Sendungshinweis
Diesem Thema widmen sich auch die Ö1-Dimensionen am 5.12 um 19.05 Uhr: Gravitationswellen: Ein neues Fenster ins Universum.
Einsteins Zweifel
1936 reichte Einstein mit Nathan Rosen, seinem damaligen Assistenten am Princeton Institute for Advanced Study, eine Arbeit mit dem Titel „Do gravitational waves exist?“ zur Publikation ein. „Wenn Einstein 1936 diese Frage stellte, dann kann man ersehen: Er war sich der Sache nicht sicher“, sagt Barry Barish, der langjährige Direktor der LIGO-Kollaboration. Historische Dokumente belegen das. In einem Brief an Max Born aus dem gleichen Jahr schrieb Einstein: „Ich bin zu der Auffassung gelangt, dass Gravitationswellen nicht existieren.“
Das hatte vor allem mathematische Gründe. Einstein war bei seinen Berechnungen auf lästige Unendlichkeiten gestoßen, die ihn vermuten ließen, er habe bloß ein Phantom ohne physikalische Grundlage entdeckt.
Doch für die mathematischen Schwierigkeiten gab es eine Lösung. Zu dieser Zeit wurde das heute übliche Peer Review, also die Korrektur von Fachartikeln durch unabhängige Gutachter, eingeführt. Der Herausgeber des Journals „Physical Review“ gab den Artikel an den Astronomen Howard Robertson weiter, der Einsteins Formeln durch Wahl eines anderen Koordinatensystems in eine handlichere Form brachte - und die störenden Unendlichkeiten beseitigte. Diesen korrigierten Entwurf schickte der Herausgeber wieder zurück an Einstein.
„Ich weiß es nicht“
Dieser, offenbar mit den Gepflogenheit dieses Prüfverfahrens noch nicht vertraut, reagierte verärgert. Er schrieb: „Wir haben Ihnen diesen Artikel zur Veröffentlichung geschickt und sie nicht autorisiert, ihn anderen Spezialisten vorzulegen. Daher ziehe ich es vor, den Artikel woanders zu publizieren.“
AP Photo
Albert Einstein an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, 1935
Was Einstein auch tat. Allerdings hatte er sich in den Monaten danach von den Argumenten des Gutachters überzeugen lassen. Der Artikel erschien dann in korrigierter Version unter dem schlichten Titel „On gravitational waves“ im „Journal of the Franklin Institute“. Im „Physical Review“ sollte Einstein nie wieder publizieren.
In einer Vorlesung, die Einstein in Princeton über Gravitationswellen hielt, endete er mit den Worten: „Wenn sie mich fragen, ob es Gravitationswellen gibt oder nicht, so muss ich antworten: Ich weiß es nicht. Aber es ist ein hoch interessantes Problem.“ Zweifel hegten auch seine Fachkollegen. Der Umschwung kam erst nach Einsteins Tod. 1957, bei einer Tagung in Chapel Hill.
Literaturhinweise
Vom Nutzen des Unfugs
Diese Tagung gilt als offizieller Wendepunkt in der Geschichte der Gravitationswellen. Von da an wurden die winzigen Störungen der Raumzeit als real angesehen. Dass dieses Treffen zustande kam, hat kuriose Hintergründe. Finanziert wurde die Tagung nämlich von einem exzentrischen Millionär namens Roger Babson, der ein nachgerade obsessives Interesse für die Gravitation entwickelt hatte.
Babson veranstaltete jährlich einen bizarren Wettbewerb, bei dem Vorschläge für die Entwicklung von „Gravitations-Reflektoren“ eingereicht werden konnten. Das Preisgeld betrug 1.000 Dollar - das war zu dieser Zeit eine Menge Geld. 1953 entschloss sich der in Geldnot geratene Physiker Bryce DeWitt daran teilzunehmen. Der Inhalt seines Essays war niederschmetternd: Dieser Wettbewerb, urteilte DeWitt, sei schlicht Unfug, sich gegen die Gravitation abzuschirmen werde niemals möglich sein.
Zu seiner Überraschung wurde ihm dennoch das Preisgeld zuerkannt. DeWitt gewann den sinnlosen Wettbewerb. Der Essay überzeugte Babson, dass er sein Geld besser in seriöse Forschung statt in Spinnereien stecken sollte. So kam es, dass Babson 1957 das legendäre Treffen in Chapel Hill finanzierte.
Die Nachwelt dankt es ihm. Denn hier dachten Physiker erstmals über konkrete Experimente nach, mit deren Hilfe man der Gravitationswellen habhaft werden könnte. Vom Nachdenken bis zum Nachweis sollte es freilich noch ein bisschen dauern. 58 Jahre, um genau zu sein.
Robert Czepel, science.ORF.at