Entdecker der Gravitationswellen Einsteins Erben

Der Physik-Nobelpreis 2017 ist ein später Triumph für Albert Einstein - und der Erfolg von mehr als tausend Forschern, denen gemeinsam der Nachweis von Gravitationswellen gelang.

T. Dietrich/ MPI für Gravitationsphysik/ R. Haas/ NCSA

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Am 22. Juni 1916 hielt Albert Einstein einen Vortrag in der Preußischen Akademie der Wissenschaften. Er referierte über Gravitationswellen, die sich direkt aus der von ihm entwickelten Allgemeinen Relativitätstheorie ergeben sollten. Doch sie existierten lange nur als kühne Idee.

Bis zum 14. September 2015. An diesem Tag saß ein italienischer Physiker vor einem Computermonitor in Hannover, als eine automatisch verschickte Mail in seinem Posteingang aufpoppte. Sie stammte aus den USA vom Detektor Ligo und enthielt eine Sensation: die erste Messung einer Gravitationswelle - 99 Jahre nach Einsteins Referat.

Schnell war klar: Diese Messung ist nobelpreiswürdig. Zumal Gravitationswellen seitdem noch drei weitere Male registriert wurden. Die Frage war nur: Wer sollte den Nobelpreis bekommen? Die über tausend am Ligo-Experiment beteiligten Forscher? Das wäre ein Novum, eigentlich darf ein Nobelpreis nur an bis zu drei Wissenschaftler gehen.

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Nun hat das Komitee in Stockholm entschieden: Den Preis bekommen die drei US-Physiker Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish - und zwar "für entscheidende Beiträge zum Ligo-Detektor und für die Beobachtung von Gravitationswellen". So die offizielle Begründung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften.

Er habe durchaus mit dem Preis gerechnet, sagte Barry Barish nach der Bekanntgabe. Sie sei auch ein "ein sehr großer Triumph für Einstein". Rainer Weiss und Kip Thorne verwiesen auf das große Ligo-Team: "Ich sehe das vor allem als Anerkennung für die Arbeit von mehr als tausend Menschen", sagte Weiss.

Der Preis gehöre eigentlich den Hunderten Ligo-Forschern und -Ingenieuren, sagte Thorne. "Es ist unglücklich, dass der Preis wegen der Statuten der Nobelstiftung nur an höchstens drei Personen gehen darf." Seine eigene Rolle habe sich auf die Anfangsphase des Ligo-Projektes beschränkt. "Den wahren Erfolg hatten jüngere Kollegen, die die Experimente durchführten", sagte er. "Ich bin dennoch sehr geehrt".

Gravitationswellen können entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Sie sind Störungen der sogenannten Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und beispielsweise den Abstand zwischen zwei Punkten im Raum kurzzeitig verändern. Auslöser sind zum Beispiel zwei Schwarze Löcher, die einander umkreisen und schließlich fusionieren. Dieser gewaltige Crash kann auch aus großem Abstand auf der Erde gemessen werden.

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Nobelpreis Physik: Triumph für Gravitationswellenforscher

So wie am 14. September 2015. Damals erreichten die Erde die Signale zweier mittelschwerer Schwarzer Löcher, die in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung ineinander krachten. Die Kolosse mit 36 beziehungsweise 29 Sonnenmassen fusionierten zu einem neuen Schwarzen Loch.

Das grundsätzliche Design eines Gravitationswellen-Detektors ist schon relativ alt. Erstmals beschrieben es in den Sechzigern zwei sowjetische Physiker. In den USA wurde kurz danach der erste Detektor gebaut - doch ein Nachweis der Wellen gelang damit nicht, das Gerät war viel zu klein dafür.

Vier Kilometer lange Vakuumröhren

Mitte der Siebzigerjahre, als mancher Physiker noch bezweifelte, ob man Gravitationswellen je würde messen können, entwickelte Rainer Weiss das Konzept des Laserbasierten Interferometers. Damit, so hoffte er, würde man die extrem schwachen Signale einer Gravitationswelle registrieren können.

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Eine wichtige Rolle beim Design der Anlage spielte auch der inzwischen verstorbene Physiker Ronald Drever, der einen Prototypen im schottischen Glasgow baute. Drever und Thorne arbeiteten später zusammen am Caltech in Los Angeles, Weiss forschte am MIT.

Der Plan der Forscher: Ein Laserstrahl wird aufgespalten und durchläuft zwei je vier Kilometer lange Vakuumröhren, die im Winkel von 90 Grad zueinander positioniert sind. Am Ende beider Strecken stehen Spiegel, die das Licht zurückreflektieren. Die Anlage ist so justiert, dass sich die beiden Laserstrahlen am Ausgangspunkt genau auslöschen.

Gravitationswellen/ Ligo/ Sternenmonster
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Gravitationswellen/ Ligo/ Sternenmonster

Wenn jedoch eine Gravitationswelle während einer Messung die Anlage passiert, verändert sie kurzzeitig die Länge der Strecken, welche die beiden Laser durchlaufen. Diese Wegunterschiede lassen sich messen. Allerdings sind die Längenänderungen extrem klein, was sehr hohe Anforderungen an die Messtechnik stellt.

Um die Größenordnung zu verdeutlichen: Die Strecke zwischen Sonne und Erde etwa würde sich beim Passieren einer Gravitationswelle nicht einmal um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms ändern.

1994 schließlich begann der Bau des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - kurz Ligo - zunächst in Hanford, US-Bundesstaat Washington, ein Jahr später in Livingston, Bundesstaat Louisiana. Damals übernahm Barry Barish die Leitung des Projekts und machte es zu einer internationalen Kollaboration mit mehr als tausend beteiligten Wissenschaftlern.

Durchbruch erst nach Aufrüstung der Anlagen

Doch bis zum Jahr 2010 wurde keine einzige Gravitationswelle registriert. Das gelang erst nach einer technischen Aufrüstung der Detektoren, die seitdem Advanced LIGO genannt werden - kurz aLigo.

Inzwischen haben die Detektoren in den USA vier Mal Gravitationswellen erfasst. Die letzte Messung gelang gleichzeitig auch mit dem europäischen Detektor Virgo bei Pisa (Italien).

"Einstein wäre begeistert, wir sind es auch", sagte Rolf-Dieter Heuer, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) nach der Entscheidung des Nobelkomitees. "Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist ein großer Erfolg für die Grundlagenforschung und öffnet ein neues Beobachtungsfenster ins Universum."

Bislang waren Forscher auf elektromagnetische Wellen wie Licht und Gammastrahlen angewiesen, wenn sie das Weltall beobachten wollten. Dank der Gravitationswellen-Detektoren besitzen sie nun eine ganz neue Beobachtungstechnik. Physiker hoffen nun auf viele neue Erkenntnisse, die dank der sogenannten Gravitationswellen-Astronomie möglich sind.

Im Jahr 2016 war der Physik-Nobelpreis an drei Forscher gegangen, die exotische Materiezustände untersucht hatten - sogenannte topologische Phasenübergänge.

Die Medizin-Nobelpreisträger 2017 stehen seit Montag fest: Es sind drei Wissenschaftler aus den USA, die die innere Uhr bei Menschen, Tieren und Pflanzen erforscht haben. Der Nobelpreis für Chemie wird am Mittwoch vergeben.

insgesamt 26 Beiträge
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curiosus_ 03.10.2017
1. Das prinzipielle Messprinzip...
...stammt nicht aus den Sechzigern des letzten Jahrhunderts. Das ist schon viel älter, das stammt von dem deutsch-amerikanischen Physiker Albert A. Michelson ([URL=https://de.wikipedia.org/wiki/Michelson-Interferometer]_Michelson-Interferometer_[/URL) und wurde 1881 erstmalig von ihm in Potsdam eingesetzt. Und schon dieser wollte damit eine Asymmetrie nachweisen, nämlich die von der postulierten Anwesenheit des Äthers als Träger des Lichtes hervorgerufene (Michelson-Morley-Experiment). Hätte Michelson schon damals die Auflösung von Ligo gehabt hätte er schon damals (bei entsprechender Ausdauer) Gravitationswellen gefunden. Nur war in diesem Fall der Theoretiker (Einstein) schneller als der Experimentator. Manchmal ist es andersrum, wie z.B. bei der Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts (Klaus von Klitzing, Physik-Nobelpreis 1985).
ich-geb-auf 03.10.2017
2. Was Einstein wohl heute alles könnte?
Was Einstein wohl heute alles entdecken könnte mit den techn. Mitteln die nun zur Verfügung stehen. Ich finde es sehr sehr beachtenswert und bin fast ungläubig wie er so etwas vor mehr als 100 Jahren schon vermuten / entdecken konnte. Respekt an A.E.
guillermo_emmark 03.10.2017
3. ¿?
Eins versteh ich nicht: "Die Kolosse mit 36 beziehungsweise 29 Sonnenmassen fusionierten zu einem neuen, 62 Sonnenmassen schweren Schwarzen Loch." Bedeutet das, dass sie bei ihrer Fusion 3 Sonnenmassen verloren haben? Und wo sind die geblieben?
Zitrone! 03.10.2017
4.
Zitat von guillermo_emmarkEins versteh ich nicht: "Die Kolosse mit 36 beziehungsweise 29 Sonnenmassen fusionierten zu einem neuen, 62 Sonnenmassen schweren Schwarzen Loch." Bedeutet das, dass sie bei ihrer Fusion 3 Sonnenmassen verloren haben? Und wo sind die geblieben?
Genau diese drei Sonnenmassen wurden als Energie in Form von Gravitationswellen abgestrahlt. (E = mc^2)
dondon 03.10.2017
5. Einstein
Einstein, seit eh und je ein Wahnsinnswissenschaftler. So einen gibt es nur einmal pro Jahrhundert. Schade, dass die genannten Physiker, welche eine musterhafte Arbeit abgeliefert haben in der Bestätigung der Einsteintheorie, dennoch weitgehend dem großen Publikum unbekannt bleiben werden, während der englische Physiker Hawkins, trotz fehlenden Erfolgen und zahllosen nachgewiesen falschen Theorien, im Mainstream als wichtigste Persönlichkeit in dem Bereich wahrgenommen wird. Sein Buch " Eine kleine Geschichte der Zeit" hat natürlich einen schönen Namen, inhaltlich empfand ich es immer als Zumutung. Einsteins Theorien hingegen werden sogar heute noch belegt. Schade, dass er nicht auf heutige Methoden Zugriff hatte.
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