Hintergrund 

F.A.Z. v. 8.3.2000

Gravitationsphysik im Aufwind

Struktur von Raum und Zeit / Quantenversion der Relativitätstheorie / Erforschung des Kosmos / Von Rainer Scharf

Die von Albert Einstein 1915 formulierte allgemeine Relativitätstheorie stellt auch im 21. Jahrhundert eine der größten Herausforderungen für die Physik dar. Viele ihrer Vorhersagen sind mittlerweile durch Experimente oder Beobachtungen bestätigt worden. Die abstrakt anmutende Theorie hat durchaus praktischen Nutzen. So funktioniert das Satellitennavigationssystem GPS nur deshalb, weil relativistische Effekte berücksichtigt werden. Trotz aller Erfolge konnten einige Vorhersagen der Theorie Einsteins noch nicht experimentell überprüft werden. Zudem scheiterten bisher alle Bemühungen, die allgemeine Relativitätstheorie zugleich mit der Quantenmechanik und dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik zu vereinigen. Doch hat man auf beiden Gebieten mittlerweile beträchtliche Fortschritte erzielt. Dies wurde auf einem Symposion über Gravitationsphysik deutlich, das kürzlich vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam zu Ehren seines Gründungsdirektors Jürgen Ehlers veranstaltet worden ist.

Weltweit arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung einer Quantentheorie der Gravitation. Abhay Ashtekar von der Pennsylvania State University und seinen Mitarbeitern ist es gelungen, eine solche Theorie aufzustellen. Während das Schwerefeld bisher lediglich als Störung eines zunächst "gravitationsfreien" Raumzeitgefüges eingeführt wurde, nimmt es in Ashtekars Theorie eine zentrale Rolle ein. Es bestimmt die Struktur von Raum und Zeit. Zudem betrachten die Forscher den Raum und die Zeit sowie die "raumzeitlichen" Abstände nicht länger als fundamentale Größen, sondern leiten deren Existenz aus der Theorie her. Diese beruht ihrerseits auf Zusammenhängen zwischen physikalischen Feldern an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten. Die dadurch entstehenden Beziehungen zwischen räumlich und zeitlich getrennten Ereignissen lassen sich anschließend mit der Quantentheorie beschreiben.

Daraus ergeben sich verblüffende Konsequenzen. So können zum Beispiel Flächen nicht mehr beliebig klein werden. Sie haben stets eine Mindestgröße, die sich allerdings erst auf der unvorstellbar kleinen Skala der Planck-Länge von 10-35 Meter bemerkbar macht. Nach Ashtekars Theorie ähneln die "Gravitationsanregungen" des Raumes, die sich beispielsweise als Schwankungen des Gravitationsfeldes bemerkbar machen, winzigen Fäden, die miteinander verwoben sind und dadurch den kontinuierlich erscheinenden Raum aufbauen. Ebenso wie Raum und Zeit verlieren auch die so genannten Gravitonen, die Quanten der Schwerkraft, ihre fundamentale Bedeutung. Wie das Photon das Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft ist, so sollen die Gravitonen die Schwerkraft übermitteln. Doch wurden sie bislang noch nie direkt beobachtet.

Wenn Quanteneffekte keine Rolle mehr spielen, müsste man Ashtekars Theorie auf die allgemeine Relativitätstheorie zurückführen können. Dies ist den Forschern aber bislang nicht gelungen. Zudem ist noch nicht geklärt, ob auch das Verhalten der Elementarteilchen ähnlich wie im Standardmodell beschrieben werden kann. Bei dieser Frage führt die so genannte Stringtheorie weiter, da sie das Standardmodell der Elementarteilchen bereits enthält. Sie beruht auf der Annahme, dass alle Materieteilchen Schwingungszustände winziger Schlaufen von der Größe der Planck-Länge sind. Anders als in Ashtekars Theorie spielt dabei das Graviton eine fundamentale Rolle. Die "Welt der Strings" setzt zwar zunächst ein gravitationsfreies Raumzeitgefüge voraus, doch in ihr sollten sich auch beliebig starke Gravitationsfelder und raumzeitliche Geometrien im Einklang mit der Quantenphysik beschreiben lassen.

Mit der Stringtheorie können beispielsweise die Eigenschaften von so genannten schwarzen Löchern beschrieben werden. Das berichtete Thibault Damour vom Institut des Hautes Etudes Scientifiques in Bures-sur-Yvette bei Paris. Solche Objekte sind extrem kompakte Materieansammlungen, aus deren Schwerefeld sogar das Licht nicht mehr entfliehen kann, wenn es ihnen einmal zu nahe gekommen ist. Stephen Hawking hatte 1975 vorausgesagt, dass ein schwarzes Loch recht schwach strahlt und dadurch langsam an Masse verliert. Damour hat nun berechnet, was geschieht, wenn ein einzelner, hinreichend langer String unter seinem eigenen Gewicht zu einem schwarzen Loch kollabiert. Das Loch kann sich wegen der Hawking-Strahlung wieder in einen String zurückverwandeln. Da auch dieser String Strahlung aussendet, vermindert sich seine Masse weiter, bis er sich nach unvorstellbar langer Zeit völlig auflöst.

Auch die "klassische" allgemeine Relativitätstheorie selbst konnte kürzlich erfolgreich angewendet werden. So berichtete Peter Schneider vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, dass riesige Materieansammlungen, zum Beispiel Galaxienhaufen, das Licht von Galaxien oder Quasaren wie Linsen ablenken. Dabei verzerren diese "Gravitationslinsen" die Bilder der Galaxien in grotesker Weise oder lassen einen Quasar mehrfach am Himmel erscheinen. Aus der Stärke der Lichtablenkung kann man die Masse und die Verteilung der Materie erschließen, die eine Gravitationslinse enthält - einschließlich der so genannten dunklen Materie, die nicht direkt beobachtet werden kann. Darüber hinaus liefert die Art der Lichtablenkung Informationen über die Geometrie des Universums.

Die Wissenschaftler hoffen, dass mit neuartigen Detektoren so genannte Gravitationswellen direkt nachgewiesen werden können. Diese Wellen sollen nach heutigen Vorstellungen zum Beispiel bei Supernova-Explosionen oder bei Kollisionen von Doppelsternen entstehen. Sie würden sich mit Lichtgeschwindigkeit im Weltall ausbreiten und dabei den Raum verzerren. Die dadurch entstehenden geringen Längenänderungen ließen sich mit Laserstrahlen messen. Karsten Danzmann von der Universität Hannover berichtete über verschiedene noch in Bau befindliche Detektoren. So wird das deutsche Gerät Geo600 voraussichtlich Ende dieses Jahres in Betrieb genommen. Nach einer Testphase von einem Jahr will man mit den Messungen beginnen - nahezu zeitgleich mit den beiden "Ligo-Detektoren", die in den Vereinigten Staaten gebaut werden.

Auch beim Urknall vor 15 Milliarden Jahren sind Gravitationswellen entstanden. Sie könnten genauere Auskunft über die Anfangsphase des Universums geben. Die Wellen schwingen allerdings so langsam, dass man sie auf der Erde wegen der umweltbedingten Störungen nicht beobachten kann. Deshalb will man im Jahre 2010 mit dem aus drei Satelliten bestehenden Detektor Lisa die Gravitationswellen des Urknalls im All störungsfrei messen.

Das Wissen über das Universum hat in den vergangenen Jahren stark zugenommen. Wie George Ellis von der Universität in Kapstadt berichtete, sind sich die Kosmologen darüber einig, dass das Universum in einem heißen Urknall entstanden ist und sich seither - möglicherweise immer schneller - ausdehnt. Es gilt als ausgeschlossen, dass es in einem Kollaps enden wird. Das beobachtbare Universum ist weitgehend homogen und besitzt keine vorherrschende Richtung.

Unklar ist allerdings, ob das Universum unendlich ist und wir daher nur einen winzigen Ausschnitt sehen oder ob es eine endliche Größe hat und in sich räumlich geschlossen ist, ähnlich einer Kugel. In diesem Fall könnte man gewissermaßen um den Kosmos herumschauen und so die Milchstraße in einem früheren Entwicklungsstadium beobachten. Wie stark es tatsächlich gekrümmt ist, hängt von seinem Materiegehalt ab. Vermutlich können wir aber nur ein bis zehn Prozent der Gesamtmaterie sehen. Der größte Teil des Universums scheint aus nicht sichtbarer, dunkler Materie zu bestehen und ist noch weitgehend unerforscht. Weitere Beobachtungen, zum Beispiel an Gravitationslinsen, sollen hier neue Erkenntnisse liefern. Doch müssen nach Ansicht von Ellis diese Ergebnisse immer im Rahmen eines kosmologischen Modells interpretiert werden, das letztlich nicht mehr physikalisch begründet werden kann. Denn die Einzigartigkeit des Universums lässt sich mit den empirischen Verfahren der Physik nur schwer beschreiben. 
>>> Zur Startseite