Die Entdeckung der Gravitationswellen E-Book

• Herausgeber: C. Bertelsmann Verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2017

Seitenzahl: 108

Beschreibung

Eine epochale Entdeckung und der größte Coup seit Jahren: der direkte Nachweis von Gravitationswellen

Und Einstein hat recht! Rund 100 Jahre nach den Vorhersagen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie gelang es Forschern vor Kurzem erstmals, Gravitationswellen zu messen und damit die Krümmung der Raumzeit nachzuweisen. Als Anerkennung wurde 2017 dafür der Nobelpreis für Physik verliehen.

Harald Lesch und seine Mitautoren Martin Dittgen, Timothy Hall, Till Heckelbacher, Matthias Helsen, Florian Selig, Judith Selig, Florian Zeller und Roman Zitlau erklären anschaulich die Voraussetzungen und Hintergründe dieser bahnbrechenden Entdeckung. Von explodierenden Sternen über verschmelzende Schwarze Löcher bis zu riesigen Laser-Interferenz-Detektoren: ein packendes Buch über »Allbeben« und »kosmische Vampire« – auch für Nicht-Physiker!

Leseprobe

Buch

Und Einstein hat recht. Rund 100 Jahre nach den Vorhersagen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie gelang es Forschern vor Kurzem erstmals, Gravitationswellen zu detektieren und damit die Krümmung der Raumzeit nachzuweisen.

Harald Lesch und seine Mitautoren Martin Dittgen, Timothy Hall, Till Heckelbacher, Matthias Helsen, Florian Selig, Judith Selig, Florian Zeller und Roman Zitlau erklären anschaulich die Voraussetzungen und Hintergründe dieser bahnbrechenden Entdeckung. Von explodierenden Sternen über verschmelzende Schwarze Löcher bis zu riesigen Laser-Interferenz-Detektoren: ein packendes Buch über »Allbeben« und »kosmische Vampire« – auch für Nicht-Physiker!

Autor

Harald Lesch ist Professor für Theoretische Astrophysik am Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität München, Fachgutachter für Astrophysik bei der DFG und Mitglied der Astronomischen Gesellschaft. Einer breiteren Öffentlichkeit ist er durch die Sendereihe »alpha-Centauri« bekannt geworden. Heute moderiert er u. a. »Leschs Kosmos« im ZDF. Er hat mehrere erfolgreiche Bücher veröffentlicht, der vorliegende Titel entstand als Gemeinschaftsarbeit an seinem Lehrstuhl.

Harald Lesch (Hrsg.)

Die Entdeckungder Gravitationswellen

Oder warum die Raumzeit kein Gummituch ist

Mit Beiträgen von

Martin Dittgen, Timothy Hall, Till Heckelbacher, Matthias Helsen, Florian Selig, Judith Selig, Florian Zeller, Roman Zitlau

C. Bertelsmann

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1. Auflage 2017

© C. Bertelsmann Verlag, München, in der Verlagsgruppe Random House GmbH, Neumarkter Straße 28, 81673 München

Umschlaggestaltung: Büro Jorge Schmidt, München

Bildredaktion: Susanne Maier

Satz: Uhl + Massopust, Aalen

ISBN 978-3-641-22916-0V002www.cbertelsmann.de

Inhaltsverzeichnis

Vorworte

Nachruf

MATTHIAS HELSEN

Gravitation und Allgemeine Relativitätstheorie

MARTIN DITTGEN

Die Raumzeit ist kein Gummituch

HARALD LESCH

Gravitationswellen!? Was ist das eigentlich?

TILL HECKELBACHER

Zwei Giganten in der Einsamkeit

FLORIAN ZELLER

Supernova

JUDITH SELIG

Zwei Schwarze Löcher auf dem Weg zur Verschmelzung

HARALD LESCH

Zwei Schwarze Löcher im Teufelskreis

ROMAN ZITLAU

Tanz der Vampire

MARTIN DITTGEN

Die Reise der Gravitationswellen

HARALD LESCH

Wellen und Interferenzen

TIMOTHY HALL

Die Messtechnik

FLORIAN SELIG

Die Suche geht erfolgreich weiter

HARALD LESCH

Wie groß ist das Universum?

TIMOTHY HALL

Primordiale Gravitationswellen

TILL HECKELBACHER

Abschirmung von Kräften

MARTIN DITTGEN

Dank

Quellen

Autoren

Abbildungsnachweis

Vorworte

Dieses Buch ist das zweite von zwei und vielleicht noch mehr Büchern, die wir gemeinsam schreiben. Wir, das ist eine kleine Gruppe von Studierenden aus verschiedenen Fachrichtungen und solchen, die mit dem Studium schon fertig sind. Wir sitzen also teilweise noch in Vorlesungen, halten Vorlesungen, tüfteln an Doktor- und Forschungsarbeiten oder versuchen anderweitig, im Arbeitsalltag – mit dem gesammelten Physikwissen – unseren Beitrag zum Bruttoinlandsprodukt zu leisten.

Unser letztes Buch, Die Entdeckung des Higgs-Teilchens, drehte sich um eine der wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Physik, und weil dieses Buch anscheinend eine zufriedene Leserschaft gefunden hat, wollten wir uns auch bei unserem zweiten Buch einer ebenso bedeutenden Entdeckung zuwenden. Dieses Mal geht es jedoch um ein viel größeres kosmisches Beben, das die Erde am 14. September 2015 ganz leicht »wackeln« ließ. Die Rede ist von der Entdeckung der Gravitationswellen an diesem Tag – von Fachleuten als Signal GW150914 bezeichnet.

Die theoretischen Grundlagen dieser Entdeckung – auch unter dem Namen Allgemeine Relativitätstheorie bekannt – wurden bereits vor über 100 Jahren von Albert Einstein ersonnen. Doch bedurfte es sehr langer Zeit und wiederum einer großen Anzahl von Technikern und Forschern, um Einsteins Annahmen experimentell zu bestätigen. Dazu mussten erst in mühevoller Kleinarbeit die entsprechenden Technologien und die gigantischen, hochkomplexen Messinstrumente entwickelt werden.

Großen Anteil daran haben das LIGO-Projekt, ein 1992 von Kip Thorne und Ronald Drever vom California Institute of Technology und von Rainer Weiss vom MIT in den USA gegründetes Observatorium mit zwei Standorten, sowie das MIT (Massachusetts Institute of Technology). Nach ersten Anfängen und Kooperationen in den 1970er-Jahren nahm die Suche nach den Gravitationswellen ab den 1990er-Jahren immer konkretere Formen an. Am LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) organisierte dessen Direktor Barry Barish den Ausbau der Interferometer und die internationale Zusammenarbeit für dieses Projekt. Dabei wurden Präzision und Empfindlichkeit ständig erhöht und die Reichweite vergrößert. Seit 2002 sind die gigantischen LIGO-Detektoren im Dauereinsatz auf der Suche nach Gravitationswellen – und im September 2015 waren die Gravitationswellenjäger von LIGO dann tatsächlich erfolgreich!

Heute sind allein für das LIGO-Projekt mehrere hundert Wissenschaftler in über 40 Instituten weltweit tätig. Und wiederum zahlreiche Forscher sind an anderen wissenschaftlichen Einrichtungen mit der Überprüfung von Messresultaten, der Verfeinerung der Messtechnik, der Formulierung neuer Thesen und Forschungsansätze für dieses Projekt etc. beschäftigt, in Deutschland etwa im Rahmen der Detektoren-Projekte GEO600 und LISA Pathfinder federführend Karsten Danzmann vom Albert-Einstein-Institut. Zu Recht wurde nun der Physik-Nobelpreis 2017 an die drei Gravitationswellen-Pioniere Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish verliehen – in Wirklichkeit gehört er aber allen weltweit Beteiligten an diesem Projekt.

Zurück zu diesem Buch: Da es kein einfaches Thema ist, haben wir uns um einen allgemein verständlichen, eher belletristischen Schreibstil bemüht und überfallen Sie, geschätzte Leserinnen und Leser, gleich mit zwei Vorworten, wovon eines ein Nachruf ist, der aus irgendeinem Grund am Anfang steht. Anschließend wollen wir Ihnen die theoretischen Grundlagen, die hinter den Gravitationswellen stecken, näherbringen: die Allgemeine Relativitätstheorie und die Gravitation. Ein weiteres Kapitel beschäftigt sich mit dem Begriff »Raumzeit« und den Ursachen dafür, warum für Physiker Raum und Zeit nicht unabhängig voneinander sind. Das letzte der eher theoretischeren Kapitel befasst sich dann mit den Gravitationswellen selbst.

Damit sind die Grundlagen gelegt, und wir können uns der Frage zuwenden: Wie entstehen Gravitationswellen? Die recht naheliegende Antwort: durch Sterne und ihr unvermeidliches, spektakuläres Ende. Die Überreste dieser »Sternleichen« haben jedoch genug Sprengkraft, um nach einer langen Periode der scheinbaren Ruhe erneut das Universum zu erschüttern. Bei ihrer Reise durch das Universum erlebt die Gravitationswelle einiges Kuriose, bis sie schließlich auf den Planeten Erde trifft, ohne dass die meisten ihrer Bewohner davon Notiz nehmen. Schließlich verraten wir Ihnen, welches Handwerkszeug man benötigt, um dieses »Allbeben« zu registrieren.

Sollten Sie nach dieser Abenteuerreise Lust auf mehr verspüren, halten wir noch eine Zugabe für Sie bereit.

Viel Vergnügen!

Harald Lesch, Martin Dittgen, Timothy Hall, Till Heckelbacher, Matthias Helsen, Florian Selig, Judith Selig, Florian Zeller, Roman Zitlau

Nachruf

Matthias Helsen

Sensationelle Entdeckung hält die Welt in Atem – Einsteins Gravitationswellen gefunden – Spricht das Universum zu uns?

Das waren nur einige der Schlagzeilen, die am 11. Februar 2016, als das in Rede stehende Ereignis bekannt gegeben wurde, über die Bildschirme liefen und die Titelseiten unzähliger Zeitungen und Magazine zierten. Und auch auf Facebook wurde rege darüber diskutiert. Das Ereignis war an diesem Tag kaum zu toppen. Wenigstens soll an dieser Stelle all den armen Schlagzeilen, die an diesem Tag ihr Dasein im Schatten der bedeutendsten Breaking News seit der Entdeckung des Higgs-Teilchens fristen mussten, adäquat Tribut gezollt werden.

Nicht jeder wusste von den Geschehnissen in den Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatories (abgekürzt LIGO) in Hanford und Livingston (US-Bundesstaaten Washington und Louisiana) und der Entdeckung mit dem kryptischen Titel »GW150914«. Manche waren am 11. Februar 2016 eher bekümmert darüber, dass das Wetter am Alpenrand genauso häufig zwischen Schnee und Regen schwankte, wie manche Politiker während des Wahlkampfs ihre Meinung ändern.

Dabei hatte die Kälte kaum Auswirkungen auf den Tourismus. Bereits im Februar wurde bekannt gegeben, dass die Hotels in Deutschland auf ein Rekordjahr zusteuern würden. Eine sehr beunruhigende Nachricht handelte von der rapide steigenden Kriminalität in Deutschland. So wurden in Oberhausen beispielsweise 400 Zuchtvögel im Wert von 30000 Euro gestohlen. Der Verbleib der Vögel ist bis heute unbekannt. Die Nachrichten waren allerdings auch in Bezug auf andere Themen desillusionierend. Twitter gab einen besorgniserregenden Rückgang der Mitgliederzahlen bekannt. Zudem verzeichnete das Unternehmen rote Zahlen. Die zunehmenden Cyberattacken aus Russland und China könnten damit zu tun haben. In Fachkreisen wurde befürchtet, dass der Vorsprung des Westens in der Militärtechnik nicht mehr so groß sei wie noch ein Jahr zuvor. Auf andere Weise innovativ trat dafür BMW auf. Das »Ökomobil« i8, das man ab günstigen 130000 Euro erwerben kann, war für kurze Zeit in der Farbe Rot zu erhalten. Allerdings nur als Limited Edition.

In den USA zeigte die Regierung eine Stadt im Nordosten des Landes an, weil die Polizei dort vermehrt gegen Menschenrechte verstieß. Außerdem musste eine amerikanische Bank 2,8 Milliarden Dollar Strafe zahlen, da sie ihre Gläubiger bewusst getäuscht und mit deren Geld riskant spekuliert hatte. Darüber darf auch nicht vergessen werden, dass Außenminister Steinmeier wieder einmal eine Eindämmung der Gewalt in Syrien angekündigt hatte. Eine erfreuliche Nachricht gab es am Ende dann doch noch: Der deutsche Tennisspieler Alexander Zverev schlug beim ABNAMRO World Tennis Tournament in Rotterdam den Franzosen Gilles Simon im Achtelfinale und erreichte so das Viertelfinale.

Das ist natürlich nur ein sehr selektiver Überblick über das Tagesgeschehen des 11. Februar 2016, der auch nicht annähernd wiedergibt, was sonst an diesem Tag noch weltweit geschah. Das Autorenteam hofft jedoch, somit diesen bedeutenden und wenig beachteten Ereignissen und Geschichten gerecht geworden zu sein, und bedankt sich bei dpa, den öffentlich-rechtlichen Rundfunksendern und dem Deutschen Presse- und Rundfunkrat.

Gravitation und Allgemeine Relativitätstheorie

Martin Dittgen

»Einsteins Gravitationswellen gefunden«, hieß es in einer der vielen Schlagzeilen an jenem denkwürdigen Tag, als die erste direkte Messung von Gravitationswellen bekannt gegeben wurde. Denn Albert Einstein hatte bereits in seiner Abhandlung über Raum und Zeit und deren Wechselwirkung mit den darin enthaltenen Massen 1915 die Existenz solcher Schwingungen vorausgesagt. Dieses Gedankenkonstrukt nannte er »Allgemeine Relativitätstheorie«. Aber jetzt mal ganz langsam und von Anfang an.

Eine Geschichte des freien Falls

Was passiert, wenn man zwei gleich große Kugeln aus verschiedenem Material und folglich mit unterschiedlichem Gewicht aus gleicher Höhe fallen lässt? Welche kommt zuerst auf dem Boden an? Für Aristoteles war die Sache glasklar: Eine Feder fällt langsamer als ein Stein. Folglich fallen schwere Sachen schneller nach unten, leichtere aufgrund ihrer »Leichtigkeit« langsamer.

Davon ging 1590 auch Galileo Galilei aus, der zunächst der festen Überzeugung war, dass eine Bleikugel beim Abwurf von einem hohen Turm schneller auf dem Boden aufschlagen sollte als eine Holzkugel. Doch statt sich wie Aristoteles und seine Zeitgenossen nur auf theoretische Überlegungen und Beobachtungen von Wurfsportlern zu verlassen, wollte Galilei dem Phänomen eine genauere Untersuchung widmen: Er fertigte diverse Kugeln aus verschiedensten Materialen mit unterschiedlichen Gewichten an, ließ diese schiefe Ebenen hinunterrollen und ermittelte dann, welche Kugel als Erste am Ende der Schräge eintraf. Durch die schiefe Ebene konnte er den freien Fall dabei insoweit verlangsamen, dass er das Wettrennen mit bloßem Auge verfolgen konnte. Sogar die Geschwindigkeiten der Kugeln ließen sich mit den damaligen noch relativ ungenauen Zeitmessern1 bestimmen.

Der Legende zufolge soll er im Jahr 1589 sogar zwei Kugeln vom Schiefen Turm von Pisa geworfen haben, um seine Experimente zu vervollständigen. Kühl zog er aus der Summe seiner Experimente einen bahnbrechenden Schluss: »Angesichts dessen glaube ich, dass, wenn man den Widerstand der Luft ganz aufhöbe, alle Körper gleich schnell fallen würden.«

Was passiert nun genau, wenn ein Objekt fällt? Es gibt zwei Eigenschaften, die im freien Fall gegeneinander kämpfen: die Trägheit und die Schwere eines Objekts. Die Trägheit ist dabei der Widersacher jeglicher Bewegungsänderung. Wie sich leicht nachvollziehen lässt, hängt sie von der Masse ab. Ein Spielzeugauto lässt sich leichter anschieben als ein echter Pkw. Oder in Physikersprache: Die Trägheitsmasse des Spielzeugautos ist kleiner als die Trägheitsmasse des Pkw.

Die Schweremasse verursacht das Gewicht eines Objekts, das wir mit einer Waage messen können. Das Spielzeugauto mag, mit der Briefwaage gemessen, vielleicht 260 Gramm wiegen. Der Pkw hat ein Gewicht von ca. 1,3 Tonnen. Somit ist der Pkw 5000-mal so schwer wie das Spielzeugauto. Damit das Spielzeugauto und der Pkw gleich schnell fallen, muss die Trägheitsmasse des Pkw ebenfalls 5000-mal so schwer sein wie die des Spielzeugautos. Mit anderen Worten: Die Trägheitsmasse eines Objekts muss gleich seiner Schweremasse sein.

Doch wie passen die zwei so verschiedenen Phänomene Anschieben und Wiegen zusammen? Laut Galileis Auffassung, die später so übrigens auch von keinem Geringeren als Newton geteilt wurde, war es einfach ein Zufall, eine Laune der Natur, dass beide Effekte exakt gleich groß sind. Einen tieferen Zusammenhang sahen weder Galilei noch Newton.

Albert Einstein konnte das so nicht stehen lassen. Angebliche Zufälle belächelte er als falsche Annahmen in der – nicht zutreffenden – Theorie. Er folgerte:

»Die bisherige Mechanik hat diesen wichtigen Satz [der Gleichheit von Schwere- und Trägheitsmasse] zwar registriert, aber nicht interpretiert. Eine befriedigende Interpretation kann nur so zustande kommen, dass man einsieht: Dieselbe Qualität des Körpers äußert sich je nach Umständen als ›Trägheit‹ oder als ›Schwere‹.«2

Mit diesem so unscheinbaren Satz erschütterte Einstein die theoretische Physik. Statt die Äquivalenz als experimentelles Faktum einfach hinzunehmen, wagte er mit dreister Kühnheit, die alte unscharfe Theorie vom Tisch zu wischen, und legte den Grundstein zu seiner bahnbrechenden Allgemeinen Relativitätstheorie.

Ein Zimmer im Weltraum

Um zu erklären, warum Schwere und Trägheit im Kern Teil des gleichen Phänomens sind, machte Einstein das folgende Gedankenexperiment: