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3.5 Gravitationswellen

Vor kurzem, also im Frühjahr 2016, gelang es erstmals Gravitationswellen nachzuweisen. Ohne Zweifel handelt es sich dabei um eine der großartigsten Leistungen der Experimentalphysik. Der theoretische Aspekt des Nachweises scheint unbestritten der zu sein, dass einmal mehr die Allgemeine Relativitätstheorie bestätigt worden ist. Tatsächlich kann man es auch ebenso gut als weiteren experimentellen Beweis der Quantinotheorie betrachten. Diese versteht nämlich die Gravitation, genau wie den Magnetismus, als ultrakleine Restwechselwirkung der elektrischen Kraft. Und genau wie diese, wird sie durch Quantinos vermittelt, die sich unabhängig von der Geschwindigkeit des Empfängers immer mit Lichtgeschwindigkeit auszubreiten scheinen.

Das bedeutet, in der Quantinotheorie muss es Wellen geben, bei denen zum Einen die Schwerkraft oszilliert und die sich zum Anderen immer mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Wie kann man solche Wellen überhaupt detektieren? Der Nachweis elektrischer Wellen erfolgt mit sogenannten Antennen, also Drähten, in den es durch die schwankende elektrische Feldstärke zu einer schwankenden Ladungstrennung und damit zu einem leicht messbaren Wechselstrom kommt. Die Erklärung dazu findet sich in Abschnitt 2.8. Leider geht etwas Derartiges nicht mit Gravitationswellen. Mehrere Schwierigkeiten sind zu überwinden:
  1. Wir, die Erde und alles um uns herum besteht aus Materie, also ausschließlich aus "Gravitationsladung" mit dem gleichen Ladungsvorzeichen. Eine Ladungstrennung ist daher nicht möglich.
  2. Die Gravitation ist im Vergleich zur elektrischen Kraft extrem schwach.
  3. Die Stärke von Gravitationswellen nimmt sehr wahrscheinlich quadratisch oder noch stärker mit der Entfernung zur Quelle ab.
Um Gravitationswellen zu detektieren, muss man ihre Wirkung verstehen und nachweisen. Und diese besteht darin, dass sie kurzzeitig die Schwerkraftwirkung auf ein Objekt im Gravitationsfeld der Erde verändert. Mit anderen Worten, ein Objekt wird kurzzeitig ein wenig mehr in eine bestimmte Richtung gedrückt als es normalerweise der Fall ist. Und da sich die Welle bewegt, wird sich diese Schwankung zunächst erst an einem Ort und erst kurz darauf an einem anderen Ort auswirken. Wichtig dabei ist, dass sich die Welle mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Damit lässt sie sich von Körperschall unterscheiden, welcher sehr ähnliche aber beträchtlich stärkere Effekte erzeugt, jedoch um vieles langsamer ist. Um also eine Gravitationswelle zu detektieren, muss man die relative Abstandsänderung zweier Objekte messen. Die Idee dahinter ist, dass eine einlaufende Gravitationswelle zunächst das näher liegende Objekt beschleunigt, und erst kurz darauf das weiter entfernte.

Abbildung 3.5.1: Abgeglichenes Michelson-Interferometer.
Abbildung 3.5.2: Unabgeglichenes Michelson-Interferometer.

Eine Apparatur, mit der sich solche Abstandsänderungen detektieren lassen, ist das Michelson-Interferometer. Ein solches besteht aus einem Laser, dessen Strahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel in der Mitte der Anordnung in zwei zueinander rechtwinklige Teilstrahlen aufgespalten wird. Beide Teilstrahlen werden dann durch Spiegel reflektiert und treffen dann wieder am halbdurchlässigen Spiegel aufeinander. Dabei wird der von rechts kommende Teilstrahl teilweise nach unten reflektiert, während der von oben kommende teilweise nach unten durchgelassen wird. Diese beiden Strahlanteile können nun miteinander interferieren oder eben nicht interferieren, je nachdem, ob der Abstand der beiden Spiegel zum halbdurchlässigen Spiegel gleich oder ungleich ist. Die Animationen 3.5.1 und 3.5.2 zeigen das Prinzip des Interferometers; einmal im abgeglichenen und einmal im unabgeglichenen Zustand.

Was passiert nun, wenn eine Gravitationswelle von links kommend auf das abgeglichene Interferometer der Abbildung 3.5.1 trifft? Zunächst wird der Laser beschleunigt, während die Spiegel noch keine Kraft erfahren. Der sich ändernde Abstand hat zunächst keine Auswirkung, sofern man voraussetzt, dass die Beschleunigungen klein sind. Im weiteren Verlauf verschiebt die Gravitationswelle dann den halbdurchlässigen Spiegel in der Mitte. Dadurch verkürzt sich der Abstand zum ganz rechts liegenden Spiegel. Bis die Welle diesen erreicht, ist das Interferometer in einem nichtabgeglichenen Zustand, wie in Abbildung 3.5.2 gezeigt. Man erkennt dies daran, dass am unten liegenden Detektor eine Änderung der Interferenz auftritt, womit die Gravitationswelle nachgewiesen ist.

Beide Theorien, also sowohl die allgemeine Relativitätstheorie, als auch die Quantinotheorie, fordern die Existenz von Gravitationswellen. Die Quantinotheorie ist dabei vom Ansatz her allerdings bedeutend konventioneller und konservativer. Für sie stehen Gravitationswellen den elektromagnetischen Wellen nahe. Die Längenänderung wird nicht als eine Verkürzung des Raumes selbst aufgefasst, sondern einfach als eine zeitversetzte Verschiebung einzelner Komponenten der Messvorrichtung.

Im Übrigen wurde das Michelson-Interferometer vor etwa hundert Jahren im berühmten Michelson-Morley-Experiment verwendet, um zu überprüfen, wie sich der damals postulierte Lichtäther relativ zur Erde bewegt (natürlich mit einer anderen Lichtquelle als einem Laser). Dabei wurden keinerlei Interferenzverschiebungen festgestellt. Zwei Erklärungsalternativen wurden damals diskutiert:
  1. der Lichtäther, also das Medium in welchem sich das Licht ausbreitet, ruht immer relativ zum Interferometer und
  2. es gibt gar keinen Äther.
In der speziellen Relativitätstheorie wird nicht von einem Lichtäther ausgegangen. Ebenso in der Quantinotheorie, obwohl es in letzterer die Photonen, also eine Art masse- oder beinahe masseloser Materie gibt, die auch im Vakuum vorhanden ist. In der Quantinotheorie sind also in gewisser Weise beide Erklärungen richtig und das Michelson-Morley-Experiment wird immer ein Nullresultat liefern, sogar dann, wenn sich die Lichtquelle relativ zum Interferometer bewegt.