P H Y S I K Hat Schwerkraft eine Zukunft? Pro Gravitation:

Ohne die Schwerkraft triebe der Mensch haltlos im Kosmos. Ein Lob der Gravitation und ihrer Erforschung

Sie ist die physikalische Grundkraft, die uns am vertrautesten ist. Die Schwerkraft sorgt dafür, dass wir mit beiden Beinen fest auf dem Boden stehen, dass ein Fußball nicht im Stadionhimmel verschwindet und dass die Erde zuverlässig ihre Bahn um die Sonne zieht. Ohne gegenseitige Anziehung kein Leben. Für die losgelöste Schwerelosigkeit des Weltalls ist der Mensch nicht geschaffen. Astronauten werden dort raumkrank, Knochen und Muskeln bilden sich zurück. Kaum wird der Traum von der Schwerelosigkeit wahr, merkt der Mensch erst, was er an seinem altvertrauten Gewicht hat.

Ohne Schwerkraft gäbe es nicht einmal die moderne Physik. Der Fall eines Apfels löste in Isaac Newtons Kopf jene Idee aus, die im Jahr 1687 zur Aufstellung des Gravitationsgesetzes führte und damit zur Geburt der Mechanik. Seither hält die Gravitation die Gelehrten in ihrem Bann wie keine andere der vier physikalischen Grundkräfte. Obwohl die Massenanziehung viel früher entdeckt wurde als die elektromagnetische Wechselwirkung, die "schwache" und die "starke" Kernkraft, weiß die Wissenschaft bis heute am wenigsten über sie. Das fehlende Verständnis der Gravitation ist nicht nur das entscheidende Hindernis auf dem Weg zur "Weltformel", sondern auch der tiefere Grund dafür, dass wir über das Schicksal des Universums allenfalls Spekulationen anstellen können. Derzeit ist noch nicht einmal der exakte Wert der Gravitationskonstante G bekannt - jenes Maß für die Kraft, mit der sich zwei Massen von je einem Kilogramm im Abstand von einem Meter anziehen. Obwohl jedes Physikbuch dafür einen Wert angibt, ist keinesfalls klar, ob diese älteste bekannte Naturkonstante ihren Namen wirklich verdient hat. Doch dazu später mehr.

Das größte Rätsel der Schwerkraft: Warum ist sie so schwach? Die Kraft zwischen den erwähnten Einheitsmaterieklumpen entspricht nur etwa einem Prozent des Gewichts eines Kolibakteriums. Damit ist die Gravitation um 30 bis 40 Zehnerpotenzen schwächer als die elektrischen oder nuklearen Kräfte und für Elementarteilchen fast ohne Bedeutung. Dass wir überhaupt etwas von ihr spüren, ist einer besonderen Eigenschaft der Materie zu verdanken: Es gibt positive und negative elektrische Ladungen, aber nur positive Massen. Positiv und negativ geladene Teilchen neutralisieren sich gegenseitig. Massen - und die zugehörigen Schwerkraftwirkungen - können sich dagegen nur aufaddieren.

Auch Albert Einstein wurde von der rätselhaften Kraft umgetrieben. Während in Newtons Vorstellung von Schwerkraft jede Masse unmittelbar jede andere Masse im All beeinflusste, wirkt Einsteins Gravitation im Vergleich dazu eher indirekt: Jede Masse verzerrt und krümmt die sie umgebende vierdimensionale Raumzeit - Schwarze Löcher sind wohl das exotischste Beispiel für diesen seltsamen Umstand. Umgekehrt schreibt die gekrümmte Raumzeit den Körpern vor, wie sie sich zu bewegen haben.

Einsteins Gleichungen, Anfang des 20. Jahrhunderts aufgestellt, führten noch zu weiteren seltsamen Voraussagen, die sogar dem Meister selbst manchmal abstrus erschienen. Aber fast alle haben sich als korrekt herausgestellt. "Wir verstehen nicht, warum die Welt mit einer Hand voll Formeln beschreibbar ist, die auf ein Blatt Papier passen", wundert sich der Physiker Bernard Schutz vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam. Noch in diesem Jahr könnte, mit etwas Glück, die letzte noch offene Einsteinsche Vorhersage verifiziert werden: die Existenz von Gravitationswellen.

Ein mächtiges kosmisches Ereignis wie eine Supernova erzeugt nicht nur elektromagnetische Wellen, sondern auch wellenartige Verzerrungen des Raumes selbst, die mit Lichtgeschwindigkeit ins All hinauslaufen. Dabei schwingt und zittert die Raumzeit selbst. Indirekt konnte die Existenz dieser Wellen schon nachgewiesen werden. Die späteren Nobelpreisträger Russell Hulse und Joseph Taylor entdeckten in den siebziger Jahren ein System von zwei immer schneller umeinander kreisenden, kompakten Sternen. Die Messungen bestätigten exakt die Theorie, der zufolge Energie in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird.

Doch nun sollen die Wellen direkt nachgewiesen werden. In Ruthe bei Hannover steht ein solcher Gravitationswellendetektor mit dem Namen Geo 600. Dort flitzt in zwei rechtwinklig zueinander angelegten Vakuum-Wellblechtunneln von etwa einem Meter Durchmesser je ein Laserstrahl hin und her. Die Phasen der Strahlen sind so justiert, dass sie einander auslöschen, wenn sie am Ende ihrer Laufstrecke aufeinander treffen. Träfe allerdings eine Gravitationswelle auf die Erde, so begänne der Raum sich zu verzerren - rhythmisch würde mal der eine Tunnel länger, mal der andere. Die Folge: Die Laserstrahlen löschten sich nicht mehr exakt aus, es entstünden Lichtpulse - und die könnten gemessen werden.

So weit das einfache Prinzip. Doch die Längenänderungen, die gemessen werden müssen, sind winzig: Die Entfernung zwischen Erde und Sonne verkürzt oder verlängert sich durch eine typische Gravitationswelle gerade einmal um den Bruchteil eines Atomdurchmessers. Die in Ruthe auftretenden Differenzen sind noch kleiner. Und es gibt genügend Störfaktoren, die diese Messung verschmutzen können: von den Wellen der ein paar hundert Kilometer entfernten Nordsee bis zum Trecker auf dem Nachbarfeld. Damit die Forscher nicht einen sprichwörtlich umfallenden Sack Reis für eine Supernova halten, vergleichen sie ihre Signale mit denen des noch größeren Gravitationswellendetektors Ligo in den USA. Anfang Januar liefen die beiden Apparate erstmals synchron, allerdings nur im Testbetrieb. Ende 2002 sollen die Routinemessungen beginnen - und dann heißt es, auf ein großes kosmisches Ereignis zu warten.

Die erwarteten Signale kennen die Wissenschaftler in der Theorie schon sehr gut: Der Zusammenstoß zweier umeinander rotierender Neutronensterne etwa ist ein Vorgang, der nur Sekunden dauert und dabei ein kurzes charakteristisches "Zirpen" im Gravitationswellenspektrum erzeugt - wenn die Berechnungen denn stimmen. Doch was, wenn außer diffusem Rauschen nie etwas gemessen wird mit den teuren Geräten? "Theoretisch besteht nicht der geringste Zweifel, dass es Gravitationswellen gibt", bekräftigt Hermann Nicolai vom Golmer Max-Planck-Institut das Credo der Physiker.

Gelänge tatsächlich der Nachweis der exotischen Wellen, würde nicht nur Einstein wieder einmal bestätigt; es eröffnete sich auch ein neues Fenster für die Beobachtung des Alls. Schon sind neue Gravitationswellendetektoren als fliegende Beobachtungsstationen im Weltraum geplant, etwa das Projekt Lisa, das aus drei Satelliten bestehen wird und eine Million Mal so empfindlich sein soll wie die irdischen Geräte. Geplanter Start: um 2010. Die Schwäche der Schwerkraftwellen wird sich dann als Stärke erweisen: Weil das gesamte Universum praktisch "durchsichtig" ist für diese Wellen, schwirren auch die Signale aus der Urzeit des Alls quasi unverändert durch Raum und Zeit. Mit der Hilfe von Gravitationswellen könnte man also in die Vergangenheit schauen - und zwar viel weiter zurück als mit Teleskopen. Denn die elektromagnetische "Hintergrundstrahlung" entstand erst etwa 300 000 Jahre nach dem Urknall - vor diesem Zeitpunkt war das All mit undurchsichtigem Plasma angefüllt. Mit Gravitationswellen hoffen die Physiker dagegen so etwas wie das Echo des Urknalls selbst auffangen zu können.

So schön sich das Bild im Großen fügt - im Kleinen, dort, wo die Quantentheorie regiert, gibt die Schwerkraft weiterhin Rätsel auf. Um das Traumziel der Physiker zu erreichen, eine vereinheitlichte Theorie aller Naturkräfte, müsste die Gravitation besser verstanden sein. Beispielsweise sollte sie in der kleinstmöglichen Dimension, auf der so genannten Planck-Skala von 10-33 Zentimetern, genauso groß sein wie die anderen drei Grundkräfte. Könnte das sein? Das weiß bisher niemand, da die Schwerkraft bisher überhaupt nur hinunter bis zu einem Abstand von 0,2 Millimetern gemessen wurde.

Es gibt schon Theorien über die Gravitation in solch winzigen Dimensionen, die zugleich erklären, wieso die Schwerkraft im normalen Alltag so schwach ist. Sie bedienen sich der String-Theorie, nach der die Bausteine der Materie winzig kleine Fädchen sind, die sich in Räumen kringeln, deren Dimension höher ist als die unserer gewohnten vierdimensionalen Raumzeit. Es könnte sein, so spekulieren manche Physiker, dass sich die Gravitations-Strings bis in den makroskopischen Bereich erstrecken und ein Großteil der Schwerkraft in diesen zusätzlichen Dimensionen verschwindet - wir beobachten nur den kümmerlichen diesseitigen Rest. Im Kleinen würde dann Newtons Gesetz nicht mehr gelten, die eingangs erwähnte Gravitationskonstante G wäre gar keine.

Bislang ist dies allerdings nur theoretische Spielerei, wenn auch eine elegante. Und obwohl sie noch exotischer klingt als die Annahme einer Antigravitation, hat sie den Vorteil, mit der bisherigen "Mainstream-Physik" bestens vereinbar zu sein.