Video: Video-Still: Experiment am Desy

Zwölf Männer planen den großen Coup

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Sie sind längst pensioniert, aber sie haben noch eine Rechnung offen: In einem Hamburger Untergrundlabor stellen Physiker Newtons Gravitationsgesetz auf die Probe.

Moos auf dem Dach, die Außenwände aus Holz, Stühle wie vom Sperrmüll: In dem winzigen Büro drängen sich an diesem Montagmorgen drei Männer. Ihre Baracke steht auf dem Gelände eines riesigen Forschungszentrums, dem Desy in Hamburg. Die Männer gehören zu einem Zwölferteam aus Wissenschaftlern. Neun davon hat das Rentengesetz schon ausrangiert, mehrere von ihnen sind Professoren, der älteste ist 83 Jahre alt, ein ehemaliger Forschungsdirektor des Desy. Ja, sie sind alt. Und sie haben einen unverschämten Plan. 

Während Forscher in den Nachbargebäuden den Rätseln der modernen Physik auf den Grund gehen, suchen diese Männer nach einem fundamentalen Fehler in einem der ältesten bekannten Naturgesetze. Sie wollen beweisen, dass Isaac Newton vor 330 Jahren ein Fehler unterlaufen ist. Wenn sie das schaffen, würden sie das Gerüst der gesamten Physik ins Wanken bringen. Für viele von ihnen wäre es der letzte große Coup.

VIDEO: Das Newtonsche Gravitationsgesetz ist eines der grundlegenden Gesetze der Physik. In einem Hamburger Untergrundlabor vermessen pensionierte Physiker die Schwerkraft mit höchster Präzision – um Newton einen Fehler nachzuweisen.

Es ist ein ungewöhnliches Kräftemessen. Ihr Gegner ist die rätselhafteste Kraft des Universums. Sie zieht ein Plüschtier zu Boden, das einem Kind aus der Hand gleitet, und hält uns Menschen auf der Erde, sie erzeugt Ebbe und Flut, sie formt aus Gaswolken Sterne und aus Sternen Galaxien – die Schwerkraft oder Gravitation. Ohne sie gäbe es keine Menschen, vielleicht nicht mal ein Universum.

Große Namen sind mit der Erforschung dieser Kraft verbunden: Galileo, Newton, Einstein. Sie kann so stark sein, dass sie in Schwarzen Löchern sogar Licht am Entkommen hindert oder auf wundersame Weise die Zeit verlangsamt. Sie ist die Bühne großartiger Science-Fiction-Filme wie jetzt gerade Interstellar, wo Wissenschaftler mit Raumschiffen ins All aufbrechen, um die Menschheit vor dem Untergang zu bewahren.

Eine Baracke aus Holz ist das Hauptquartier der zwölf Physiker. Sie steht auf dem Gelände des Forschungszentrums Desy in Hamburg.

Solche Superhelden sind die Männer von Hamburg-Bahrenfeld nicht. Einer von ihnen, 73, wurde neulich sogar beschimpft, nur weil er mit seinem Auto an einer Baustelle ein bisschen langsam fuhr. Er sei ja völlig "desorientiert und dement", rief ein Mann ihm zu. Mit so etwas müssen sie leben. Aber in der Wissenschaft macht ihnen keiner etwas vor. "Ich habe großen Respekt vor denen", sagt Stephan Schlamminger vom National Institute of Standards and Technology in den USA. "Was die machen, ist wichtig und relevant." Wenn sie wirklich beweisen können, dass mit Newtons Gravitationsgesetz etwas nicht stimmt, werden wir den Boden unter den Füßen verlieren.

An diesem Montag im Oktober sind neun von ihnen zum Krisentreffen am Desy verabredet. Schlechte Nachrichten: Hinrich Meyer, der Chef der Truppe, wurde in der Nacht ins Krankenhaus eingeliefert. "Er telefoniert aber schon wieder", sagt einer in der Runde. So ist das, wenn man mit 79 Jahren das Universum herausfordert. Und dann ist da noch ein anderes Problem. Es fallen die Worte "Katastrophe", "Mist" und "Grenze des Machbaren". Es geht um merkwürdige Messdaten.

Ich habe schon wieder was verbrochen in der Gravitationstheorie, was mich ein wenig in Gefahr setzt, in einem Tollhaus interniert zu werden.
Albert Einstein

Monatelang hatten sie ihr Experiment verbessert, es gab Anzeichen für ein spektakuläres Ergebnis, die Daten sollten bald veröffentlicht werden. Doch seit ein paar Wochen stimmt etwas nicht. Am Ende der Sitzung beschließen sie, ein paar Kontrollmessungen zu machen, um das Problem einzukreisen. Dann machen sich drei von ihnen auf den Weg zum Experiment.

"Eine große Absurdität" nannte Newton die Gravitation, weil sie durch das Nichts des Weltalls zu wirken schien und alles durchdringt. Newton gab auf, über die Wirkmechanismen zu spekulieren, "das überlasse ich den Überlegungen meiner Leser". Er fragte nicht mehr, warum, sondern wie die Gravitation wirkt. Und gelangte schließlich zu der Erkenntnis, dass die Schwerkraft sowohl den Fall eines Apfels als auch die Bewegung der Planeten bestimme. Zuvor waren Generationen von Gelehrten davon ausgegangen, dass im Himmel andere Gesetzmäßigkeiten herrschen als auf Erden.

Albert Einstein entwickelte mit seiner Relativitätstheorie eine noch allgemeinere Theorie der Gravitation, mit der sich auch die Evolution des Universums und Schwarze Löcher berechnen lassen. Als ihm die Idee kam, die Gravitation könne auch Raum und Zeit verändern, scherzte er: "Ich habe schon wieder was verbrochen in der Gravitationstheorie, was mich ein wenig in Gefahr setzt, in einem Tollhaus interniert zu werden." Immerhin erklärte er bei anderer Gelegenheit, dass die Gravitation nicht die Liebe beeinflusse.

Kein Kegelclub. Die Kugeln, mit denen die Rentner Gerhard Kempf, Hinrich Meyer und Erich Lohrmann hier hantieren, sind Teil ihres Gravitationsexperiments. Aus Marmor, Messing oder Plastik sind die Kugeln, denn für die Versuche müssen sie unterschiedlich schwer sein.

Seit Newton sind die Physiker gut darin vorangekommen, die Welt mit immer weniger Theorien zu beschreiben. Heute gibt es nur noch zwei: die Quantentheorie fürs Kleine und die Relativitätstheorie fürs Grobe. In der Science-Fiction-Fantasie des Films Interstellar ist es Physikern endlich gelungen, sie zu einer Theorie für alles zu verschmelzen. In Wirklichkeit sind sie weit davon entfernt. "Ich weiß nicht, ob das noch was wird", sagt Erich Lohrmann, der 83-Jährige, "aber wir Physiker müssen optimistisch sein."

Als Forschungsdirektor am Desy hat Lohrmann miterlebt, wie die Quantentheorie immer mehr Ordnung in die Beobachtungen brachte. Die goldenen Zeiten der Teilchenphysik. Nun sitzt er in der Ecke eines Zweizimmerbüros, den Fensterplatz hat der Kollege. Newtons Gravitationsgesetz ist wohl sein letztes großes Ding. Er sagt: "Die Chance, dass man groß rauskommt, ist sehr klein."

Erich Lohrmann war Hinrich Meyers Doktorvater. Ehrensache, dass er bei dem Experiment mitmacht. Einen anderen Mitarbeiter rekrutierte Meyer im Fitnessstudio. Dort stand eines Tages Gerhard Kempf neben ihm in der Umkleidekabine, der ehemalige Vorstand des Werftenverbunds ThyssenKrupp. Der hatte es vom Schiffbaulehrling zum Vorgesetzten von mehr als 10.000 Arbeitern gebracht. Mit 65 war er verabschiedet worden, aber sein Segelboot, der Garten und der Posten als Aufsichtsrat füllten ihn nicht aus. Er wolle auf der Seniorenuniversität Astrophysik lernen, sagte er Meyer.

Kempf interessierte sich durch die Segelei für Physik. Man ist auf See ja oft allein mit dem Weltall, vor allem nachts. Wo kommen wir her, wie ist das alles entstanden, solche Fragen. Er zeigte Hinrich Meyer die Queen Mary und dieser zeigte Kempf sein Experiment. Und weil Kempf alles wissen will und außerdem Werkzeugmaschinen beherrscht, durfte er mit ins Team. Er brachte noch seinen Freund Klaus Wilhelm Elvers mit, der früher für ihn die kompliziertesten Aufträge geplant hat. Umbau eines Passagierschiffs in einem Monat mit 2.000 Arbeitern und so. Die anderen Seniorforscher sind frühere Kollegen aus der Teilchenphysik.

Nicht nur Planeten wie die Erde üben auf andere Massen eine Anziehungskraft aus – auch kleine Gegenstände, wie diese Kugel aus Kunststoff, haben ein Gravitationsfeld.

Astronomen haben bei der Beobachtung von Galaxien einen Widerspruch zu Newtons Gravitationstheorie entdeckt. Um diesen aufzuklären, sagt Erich Lohrmann, müsste man ihre Geräte eigentlich am Rand der Milchstraße aufbauen. "Aber das scheitert aus Kostengründen." Also haben die Forscher sie an einem der ruhigsten Orte Deutschlands platziert.

Von der Baracke aus fahren sie zehn Minuten durch Hamburg, bis in einer Seitenstraße eine Halle mit Rolltor auftaucht, nicht weit vom HSV-Stadion entfernt. Mit einem Fahrstuhl geht es sieben Stockwerke in die Tiefe. Dort öffnet sich eine Halle von der Größe einer Kathedrale. Das ganze Bauwerk schwimmt im Grundwasser und liegt dadurch besonders ruhig in der Erde. Im Zentrum der Halle H1 ragt ein haushohes Eisenskelett empor, die Reste eines Teilchendetektors. Durch einen Tunnel kamen früher Elementarteilchen angeschossen.

Mit so einem Gerät hat Hinrich Meyer mit Kollegen 1978 ein neues Teilchen entdeckt, das Gluon, das die Bausteine des Atomkerns wie Klebstoff zusammenhält. Eigentlich wird so eine Entdeckung mit dem Nobelpreis gewürdigt, aber am Desy konnte man sich nicht darauf einigen, welche drei Forscher vorgeschlagen werden sollten. So erzählte es jedenfalls Meyer, bevor er ins Krankenhaus kam. Die Geschichte wurmt ihn, aber er hat ja nun das andere Experiment. Newton. Er hat gesagt: "Wenn wir finden, wonach wir suchen, würde das alles in den Schatten stellen, was ich bisher gemacht habe." Auch das Gluon.

Das Experiment soll Newtons Gravitationsgesetz überprüfen. Es misst die Anziehungskraft zwischen je einer Kugel und einem Spiegel (rechts und links). Die Spiegel hängen an Fäden in einem Vakuumbehälter. Die Kugeln liegen auf Schienen und rollen jede halbe Stunde ganz dicht an den Behälter heran, wo sie die Spiegel durch ihre Gravitationskraft um Millionstel Millimeter bewegen. Diese winzige Verschiebung messen die Forscher mithilfe von Mikrowellen. © Carsten Raffel

Ihr Versuchsaufbau wirkt neben dem Eisenkoloss zunächst etwas bescheiden. Um Newtons Gravitationsgesetz auf die Probe zu stellen, messen die Forscher die Anziehungskraft zwischen zwei aufgehängten Spiegeln, jeweils groß wie ein Frühstücksteller, und zwei Kugeln (siehe Grafik).

Seit Newton weiß man, dass die Dinge nicht nur von der Erde angezogen werden, sondern umgekehrt auch die Erde anziehen, was die Erde aufgrund ihrer riesigen Masse aber nicht aus dem Gleichgewicht bringt. Und sie ziehen sich gegenseitig an, zum Beispiel ein Stuhl und ein Tisch oder eben ein Spiegel und eine Kugel. Je größer die Massen, desto stärker die Anziehungskraft, und je weiter sie voneinander entfernt sind, desto schwächer. Die große Kunst ist es, die winzige Anziehungskraft zwischen zwei Gegenständen im Labor möglichst genau zu bestimmen.

Meyer hatte mal einen Doktoranden aus einer Uhrmacherfamilie, der hat die Apparatur mit aufgebaut. Doch je besser das Experiment wurde, desto empfindlicher wurde es für die kleinsten Störungen. Die Nordseebrandung donnert in 100 Kilometer Entfernung an die Küste und lässt Norddeutschland unmerklich erzittern, auch die Halle H1. Ab zwei Meter Wellenhöhe sind die Daten fast unbrauchbar. Auch jedes Erdbeben von Island bis Australien schickt Schallwellen durch die Erdkruste und versetzt die beiden Spiegel kurzzeitig in Schwingung. Ab Erdbeben der Stärke 4,5 ist diese Zitterbewegung sichtbar. Handystrahlen stören die Mikrowellen-Elektronik, Temperaturschwankungen die Mechanik. Öffnet jemand oben die Tür, strömt kalte Luft in die Halle und verändert die Messwerte. Die große Herausforderung ist, das statistische Rauschen all dieser Störquellen durch monatelange Messungen kleiner und kleiner zu machen.

Auf der ganzen Welt hat sich ein knappes Dutzend Forschergruppen Newtons Naturgesetz vorgeknöpft. "Das ist Dinosaurierphysik", sagt Stephan Schlamminger vom National Institute of Standards and Technology, "Wissenschaft des 18. Jahrhunderts, kommerziell nicht verwertbar, karrieremäßig eine Sackgasse, aber philosophisch extrem spannend." Schlamminger hat in seiner Doktorarbeit riesige Stahltanks mit Quecksilber befüllt und deren Anziehungskraft auf eine Ein-Kilo-Masse bestimmt. Sein Doktorvater betreute die Experimente an der Universität Zürich bis kurz vor seinem Tod. In Hamburg-Bahrenfeld sagt Erich Lohrmann: "Man muss eine unkündbare Stelle haben." Vielleicht verschwinde man für zehn Jahre im Labor, ohne einen einzigen Fachartikel zu schreiben.

Neben der Gravitation gibt es auf der Welt eine weitere mächtige Anziehungskraft – die Liebe. Von ihr handelt der zweite Teil dieser Geschichte – zu lesen im ZEIT Wissen-Magazin. Alle Themen der aktuellen Ausgabe (Dezember 2014) finden Sie hier.

Lohrmann hat mit seiner Frau einen Deal: Die erste Tageshälfte, wenn sie Frühstücksfernsehen oder die Küchenschlacht guckt, verbringt er im Büro. Am Nachmittag ist er zu Hause. Hinrich Meyer liegt im Krankenhaus und will schnell zurückkommen. Klaus Wilhelm Elvers sagt: "Wir wollen das hier zu Ende kriegen. Man fragt sich manchmal: Wie lange lebe ich noch?"

Das Hamburger Gravitationsexperiment ist keine Beschäftigungstherapie für pensionierte Grundlagenforscher. Es zielt auf ein Rätsel, das Physiker weltweit zur Verzweiflung treibt.

Dem Astronomen Fritz Zwicky war in den dreißiger Jahren aufgefallen, dass sich mehr als 1.000 Galaxien in einem Galaxienhaufen viel schneller bewegten als von Newtons Formeln vorhergesagt (auch Einsteins Theorie ändert an diesem Widerspruch nichts). In den sechziger Jahren stieß die Astronomin Vera Rubin auf ähnliche Unstimmigkeiten in der Andromeda-Galaxie. Die Gravitation zieht die Sterne zum Zentrum, die Fliehkraft treibt sie nach außen. Doch die äußeren Sterne waren viel schneller unterwegs, als laut Newton zu erwarten war. War das altbewährte Gravitationsgesetz womöglich falsch? Daran wagte kaum jemand zu denken. Stattdessen spekulierten Astrophysiker, dass die Galaxien außer Gas, Staub und Sternen noch große Mengen "dunkler Materie" enthalten.

Wir wollen das hier zu Ende kriegen. Man fragt sich manchmal: Wie lange lebe ich noch?
Klaus Wilhelm Elvers, 73, Schiffbauingenieur

Theoretiker erdachten allerlei hypothetische Elementarteilchen als Kandidaten für die dunkle Materie. Gefunden wurde bislang nichts. Deshalb gibt es nun doch ein paar waghalsige Forscher, die das Gravitationsgesetz infrage stellen, allen voran der israelische Physiker Mordehai Milgrom. Er baute in Newtons Formel eine kleine Korrektur ein, die erst dann zum Tragen kommt, wenn die Anziehungskräfte sehr schwach sind. So schwach wie am Rand von Galaxien. Oder wie zwischen Kugel und Spiegel in Halle H1. Die Hamburger Forscher behaupten, dass sie Milgroms Theorie mit ihrem Experiment überprüfen können. Milgrom allerdings verneint das. Die Gravitation sei auf der Erde nur in der horizontalen Richtung so schwach wie am Rand von Galaxien, nicht aber in Richtung Erdboden, und die zähle auch. Hinrich Meyer und Erich Lohrmann ist das egal. Wenn ihr Experiment im Widerspruch zu Newton steht, dann wird es für Aufregung sorgen, so oder so.

Lohrmann glaubt nicht daran, dass sie Newton widerlegen werden. "In den Zeitungen liest man nur etwas über die großen Sensationen, aber so ist das Leben nicht wirklich", sagt er. "Wenn man eine Theorie überprüft, die so gut wie nie versagt, dann kann man etwas Sensationelles entdecken. Aber in 99 von 100 Fällen hat man die Theorie nur noch besser bestätigt." Wenn sie Pech haben, werden sie nur diejenigen sein, die Newtons Gesetz nun noch genauer überprüft haben. Wenn sie jedoch eine Abweichung von Newtons Formeln finden, wird man sie feiern. Oder verspotten.

Vor drei Jahren stellten Physiker vom Forschungszentrum Cern fest, dass bestimmte Elementarteilchen – Neutrinos – schneller sind als Licht, was laut Relativitätstheorie nicht sein darf. Hat Einstein sich geirrt? Nein, ein Wackelkontakt war schuld, wie die Forscher später einräumen mussten. Lohrmann sagt: "So etwas wollen wir vermeiden." Er hat die Auswertung der Daten übernommen und muss verhindern, dass die Gruppe sich blamiert. Dann zieht er seine Jacke über. Arzttermin.

Ein Lot zeigt an, ob der Versuch perfekt austariert ist.

Zwei Wochen später hat Hinrich Meyer sich erholt. Am Tag zuvor war er in der Baracke, aber es ist besser, ihn zu Hause zu besuchen. Er solle sich nicht aufregen, haben die Ärzte gesagt. Nicht aufregen? Seine Frau sitzt mit am Wohnzimmertisch und schmunzelt. Die beiden haben vor zwei Jahren geheiratet, Meyer war Witwer. Sie sagt: "Seine Arbeit ist eine Achterbahnfahrt." 

Manchmal komme Hinni, wie sie ihn nennt, euphorisch nach Hause. Dann dämpft sie seine Begeisterung, denn so viel versteht sie jetzt von der Experimentalphysik: Es geht zwei Schritte vor und dann einen Schritt zurück. Und dann erzählt sie von einer Ballettaufführung, die sie als junge Frau gesehen hat. Die Tänzer hätten alles gegeben, sie schwitzten und keuchten, und am Ende der Aufführung waren sie erschöpft – und glücklich. Und so ähnlich sei auch ihr Mann. "Das ist ein Teil von ihm, und den liebe ich auch."

Forschen kann süchtig machen. Man löst ein Rätsel und steht vor dem nächsten. Meyer sagt: "Alles, was ich gemacht habe, hat dazu gedient, die Grenzen hinauszuschieben. Davon lass ich nicht ab." Sein Vater war Pastor, sein Bruder ist Pastor, sein Vetter ist Pastor. Meyer sagt: "Ich glaub nix." Eins plus eins gleich zwei, das ist sicher. Und dass sich die Natur mit Mathematik beschreiben lässt. Jeden Morgen guckt er in das elektronische Logbuch, in dem die Messdaten der vergangenen Nacht protokolliert sind.

Wenn seine Frau nicht den Notarzt gerufen hätte, wäre er heute vielleicht nicht mehr da. Er ist aber noch da und hat noch viel vor. Den Fehler im Experiment haben sie wohl gefunden, die eine Kugel ist zu dicht an die Vakuumkammer herangerollt, ein leichter Luftstoß könnte die Messung gestört haben. Bald möchte Meyer am Desy einen Vortrag halten, vielleicht schon im kommenden Frühjahr. Man darf noch nicht verraten, was er dort sagen wird, aber wenn sich vorläufige Messungen bestätigen, dann könnte es aufregend sein. Wenn er dort wirklich behauptet, eine Abweichung von Newtons Gravitationsgesetz zu sehen, wird man ihm dann glauben? "Nein", sagt Meyer. "Und das ist in Ordnung. So eine Messung muss von anderen Gruppen bestätigt werden. Dem sehe ich gelassen entgegen."

"Literatur über Gravitation" – Hinrich Meyer hat über Jahre die wichtigsten Dokumente gesammelt und abgeheftet.

Meyers persönliche Faustformel lautet, dass 30 Prozent aller wichtigen Entdeckungen von Leuten gemacht werden, die man für verrückt erklärt hatte. Er möchte es der Fachwelt noch mal zeigen. Und auch denjenigen, die lästern, er habe jetzt Flausen im Kopf und wolle es mit Einstein oder Newton aufnehmen. Ja, er ist alt. Aber doch nicht doof. Vor einiger Zeit ist er mit dem Auto beim Einparken in das Schaufenster einer Boutique gebrettert, und die Schaulustigen haben getuschelt, man solle dem alten Mann den Führerschein wegnehmen. Da hat sein Freund Gerhard Kempf herausgefunden, dass Meyers Auto wegen eines technischen Defekts auf einer Rückrufliste stand. Das Verfahren wurde eingestellt.

Und wenn das Gravitationsgesetz falsch ist? Was dann? Meyer hat gelesen, dass es einen Ausweg geben könnte, wenn man die Existenz eines zweiten Universums annähme, ganz dicht an unserem, aber in einer anderen Dimension. "Da arbeiten großartige Physiker dran", sagt er. Die werden das schon ausrechnen. "It’s beyond my time." Nach seiner Zeit.