Physik am Samstag: Gravitationswellen

Dr. Martin Kamp

Dr. Martin Kamp

Wieder einmal war es soweit: Physik am Samstag an der Uni Würzburg. Thema diesmal: Gravitationswellen-Detektoren. Und es war diesmal endlich wieder einmal eine Veranstaltung, der auch Nicht-Eingeweihte gut folgen konnten. Die letzten Male war das leider anders.

Nun gut. Diesmal ging es auch nicht um die Grundfesten der Physik, sondern eigentlich um intelligente Ingenieurs-Leistungen. Aber immerhin gab es für diese Leistung 2017 den Nobelpreis. Aber alles der Reihe nach.

Einstein postulierte in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, dass schwere Massen nicht einfach nur ein Gravitationsfeld erzeugen, sondern den Raum um sie herum verändern. In der Vorlesung vom Samstag wurde versucht, dies durch die Krümmung zu veranschaulichen, die eine Metallkugel in einem aufgespannten Tuch erzeugt. Für mich war immer anschaulicher, sich einen Schaumstoffwürfel vorzustellen, der durch eine Masse in seinem Zentrum zusammengezogen wird. Damit reduziert man zumindest den Sachverhalt nicht einfach um eine Dimension. Aber egal.

Durch so genannte Gravitationslinsen – Licht wird beim Vorbeiflug an großen Massen abgelenkt; so wird zum Beispiel ein Stern sichtbar, der eigentlich hinter einem anderen Stern verborgen sein müsste – wurde das schon indirekt nachgewiesen. Aber der letztendliche Beweis wurde erst durch den Nachweis der Gravitaionswellen erbracht. Aber wann entstehen solche Gravitationswellen? Nur, wenn sich riesige Massen bewegen. Und dies ist zum Beispiel der Fall, wenn zwei Neutronensterne umeinander kreisen oder zwei Schwarze Löcher ineinander stürzen.

Dennoch ist auch bei solch unvorstellbar riesigen Ereignissen die Gravitationswelle so klein, dass auf einer Länge von 4 km die Längenänderung durch die Gravitationswelle so klein ist wie ein Zehntausendstel eines Protonendurchmessers. Das ist so unvorstellbar klein, dass selbst Einstein der Meinung war, dass dies niemals messbar sei. Und wie meinte Dr. Kamp so schön: Wenn man es schafft, einen Nobelpreisträger zu widerlegen, so ist das fast die Garantie dafür, selbst einen Nobelpreis zu erhalten. Und so ist es eben auch geschehen.

Schwarze Löcher

Schwarze Löcher

Man muss schon sagen, die Ideen waren wirklich ausgefuchst. Die Idee für den Nachweis von Gravitationswellen war eigentlich eine simple: Nämlich ein Michelson-Interferometer zu verwenden. Ein (Laser)Lichtstrahl wird an einem Prisma aufgespalten. Der Lichtstrahl geht danach zwei Wege: Einen geraden und einen um 90 Grad gedrehten. Danach treffen die beiden Strahlen nach Umlenkung durch Spiegel auf einen Detektor. Haben Sie den gleichen Weg zurückgelegt, addieren sie sich wieder zum Ausgangsstrahl. Haben sie jedoch plötzlich einen Laufstrahlunterschied, interferieren sie und die Abbildung ist schwächer.

So weit so gut. Allerdings kann man damit nicht den Laufzeitunterschied in der Größe eines Zehntausendstel eines Protonendurchmessers messen. Je länger die beiden Schenkel des Interferometers sind, desto genauer wird es. Allerdings setzt die Physik da eine Grenze bei ca. 4 km. Die Idee der Nobelpreisträger war nun, den Lichtstrahl hundertmal hin- und herzuspiegeln und damit die Schenkellänge optisch auf 400 km zu strecken. Dafür sind allerdings Spiegel mit einer 99,9-prozentigen Refraktivität nötig. Ein normaler Badezimmerspiegel hat ca. 90 %. Mit der Idee der konstruktiven Interferenz an zahlreichen dünnen Schichten, die auf den Spiegel aufgedampft wurden, schafften die Wissenschaftler schließlich, diese Hürde zu nehmen.

Gravitationswellen: Interferenz

Gravitationswellen: Interferenz

Und so konnten sie tatsächlich im September 2016 die Gravitationswellen von schweren bewegten Objekten aufzeichnen. Eine wissenschaftliche Meisterleistung.

Dr. Kamp stellte das Ganze wirklich anschaulich dar.

Eine letzte Frage bleibt bei mir immer noch: Verletzt diese Idee nicht die Absolutheit der Vakuumlichtgeschwindigkeit? Aber das muss ich wohl mal mit einem Fachmann diskutieren.

Unter Bildungsaspekten war diese Veranstaltung jedoch auch wieder interessant: Manchen Vortragenden gelingt es, auch komplexe Sachverhalte zu vermitteln. Anderen nicht. Und ich finde, gerade an Hochschulen wird hierauf viel zu wenig Wert gelegt.

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