" Ich bin seit 1990 dabei und gehöre zu den Gründungsmitgliedern von GEO 600."
GEO 600, das ist Peter Aufmuths Ohr für das Konzert des Kosmos. Um es zu sehen, muss man von Hannover aus mit dem Auto eine halbe Stunde aufs Land fahren.
" Die Vorarbeiten begannen letztlich 1972, so dass also einige Leute schon seit 30 Jahren dabei sind."
Das Ziel der Fahrt liegt inmitten von Obstplantagen an einem asphaltierten Feldweg im Nieselregen: Der Gravitationswellendektor GEO 600.
" Aha, das Tor ist geöffnet. Wir fahren jetzt also hier rum... Hier sehen wir jetzt das Endhaus. In diesem Haus ist also ein Vakuumtank enthalten, der den einen Endspiegel enthält. Und hier beginnt die 600 Meter lange Messstrecke. Hier sehen wir die Rohrabdeckung. Das Rohr selbst ist hier in einem Graben aufgehängt. Wir sehen jetzt hier nur die Abdeckung dieses Grabens."
In dem 600 Meter langen luftleeren Rohr läuft ein unsichtbarer Infrarot-Laserstrahl hin und zurück. In einem Baucontainer am anderen Ende des Rohres befindet sich der Detektor. Dort wird das Laserlicht mit dem Strahl aus einem zweiten 600 Meter langen Rohr überlagert, das im rechten Winkel zum ersten verläuft. Die L-förmige Struktur im Boden ist ein gigantisches Interferometer, mit dem die Physiker kleinste Längenänderungen messen können. Und genau dadurch sollen sich die Gravitationswellen verraten: Die von Einstein vorhergesagten Störungen im vierdimensionalen Gefüge von Raum und Zeit verzerren alles, was ihnen in die Quere kommt.
" Wenn eine Gravitationswelle kommt, verändert sie die beiden senkrecht aufeinander stehenden Messstrecken etwas unterschiedlich. Das heißt: Die eine wird etwas länger, die andere etwas kürzer, grob gesprochen. Ich vergleiche diese beiden Messstrecken mit dem Interferometer und erziele am Ausgang eine kleine Lichtschwankung, die diesem Unterschied entspricht. Das ist das, wonach ich gucke: Ich sehe eine kleine Intensitätsschwankung am Ausgang des Interferometers."
Mitte Mai 1905 - genaues Datum unbekannt. Der 26-jährige Angestellte 3. Klasse am Berner Patentamt hat wieder einmal kaum geschlafen. Auf seinem Schreibtisch in der Wohnung in der Kramgasse türmen sich Zettel, voll gekritzelt mit Formeln, der Aschenbecher quillt über. Dabei hatte Einstein noch tags zuvor seinem Freund Michele Besso erklärt: "Ich gebe auf." Doch diese Nacht bringt den Durchbruch. Am nächsten Morgen ist alles klar. Peter Galison, Professor für Wissenschaftsgeschichte an der Universität Harvard.
Am folgenden Tag ging Einstein wieder einmal mit seinem Freund Michele Besso spazieren. Und er sagte zu ihm: "Ich habe das Problem vollständig gelöst." Er zeigte erst zu einer Uhr im Zentrum von Bern und dann zu einer Uhr in einem Vorort und sagte: Wir müssen definieren, was Gleichzeitigkeit bedeutet. Um sicherzustellen, dass zwei Uhren an unterschiedlichen Orten dieselbe Zeit anzeigen, muss man ein Signal von einer Uhr zu anderen schicken. Und dann erklärte er Michele Besso, wie das die lang gesuchte Theorie der Elektrodynamik bewegter Körper zum Abschluss bringen würde. Wir wissen heute sogar ungefähr, wo die beiden damals standen, denn es gibt nur einen Ort auf diesen Hügeln, von wo man die beide Uhrentürme sehen kann. Sechs Wochen später reichte Einstein den Artikel zur Veröffentlichung ein. Es wurde der berühmteste physikalische Aufsatz des 20. Jahrhunderts.
In den Monaten zuvor hatte der junge Patentprüfer aus Bern bereits zwei weitere Arbeiten publiziert, die ganze Zweige der Physik revolutionieren, darunter ein Artikel über die Teilchennatur von Licht - Einsteins Beitrag zur Begründung der Quantentheorie, für den er später den Nobelpreis bekommen sollte. Aber die spezielle Relativitätstheorie, die Albert Einstein am 30. Juni bei den ‚Annalen der Physik' einreicht, ist sein größter Coup von 1905, denn sie bringt die Grundfesten des physikalischen Weltbildes ins Wanken: Raum und Zeit.
"Der normale Erwachsene denkt über die Raum-Zeit-Probleme kaum nach. Das hat er nach seiner Meinung bereits als Kind getan. Ich hingegen habe mich geistig derart langsam entwickelt, dass ich erst als Erwachsener anfing, mich über Raum und Zeit zu wundern. Naturgemäß bin ich dann tiefer in die Problematik eingedrungen, als die normal veranlagten Kinder."
Die spezielle Relativitätstheorie führt zu einer Reihe von Schlussfolgerungen, die unser Weltbild auf den Kopf stellen. Der Begriff Gleichzeitigkeit wird plötzlich relativ. Sekunden werden gedehnt und Lineale gestaucht, wenn sich Objekte schnell bewegen. Und Energie und Masse eines Körpers lassen sich ineinander umwandeln: E=mc2.
Prof. Jürgen Renn, Direktor am Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte in Berlin.
" Wir sind jetzt in eine Welt eingetreten, wo gewissermaßen das, was vorher die Bühne war, jetzt Teil des Theaterstücks geworden ist. Und das ist schon eine radikale Veränderung der Weltsicht. Und dadurch ist seine Revolution nicht nur eine Revolution für Spezialisten gewesen, sondern hat wirklich ein Weltbild erschüttern können, weil damit auch die Begriffe, mit denen wir im Alltag unsere Welt ordnen, erschüttert worden sind."
Für den Patentprüfer in Bern ist die Sache damit aber noch längst nicht abgehakt. In seinem Kopf gärt es weiter. Denn die spezielle Relativitätstheorie lässt eine zentrale Frage offen: Sie erlaubt keinerlei Aussagen über die allgegenwärtige Gravitationskraft, deren Wirkung unsere Füße am Boden und die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne hält.
"Ich habe keine besondere Begabung, ich bin nur leidenschaftlich neugierig."
Einstein will die spezielle Relativitätstheorie so verallgemeinern, dass sie auch die Gravitation mit einbezieht, also die beschleunigte Bewegung von Körpern in Schwerefeldern - ein ehrgeiziges Vorhaben, an dem er sich 10 Jahre lang die Zähne ausbeißen wird.
Ehlers:
" Wer zum ersten Mal so was nachweisen kann, hat eine extrem gute Chance, den Nobelpreis zu kriegen."
Aufmuth:
" Ich bin da eigentlich ganz optimistisch. Ich denke schon, dass wir das in den nächsten zwei oder drei Jahren schaffen werden."
Heinzel:
" Er selber hat ja die Existenz von Gravitationswellen schon gefolgert aus seiner Theorie."
In der Obstplantage bei Hannover ist der Nieselregen stärker geworden. Einer der drei Baucontainer beherbergt das Herzstück von GEO 600: Den Detektor, in dem sich die Laserstrahlen der beiden 600 Meter langen Messstrecken überlagern. Die Tür dieses Containers bleibt heute aber geschlossen, weil gerade eine Messung läuft. Da müssen Erschütterungen aller Art vermieden werden, sagt Peter Aufmuth.
" Der Kontrollraum befindet sich hier. Hier sitzen jetzt die Leute, die den Detektor justiert haben und den jetzt überwachen und an Kontrollcomputern das Signal nehmen."
In der Ecke des Baucontainers steht eine lebensgroße Papp-Figur von Albert Einstein. Vier junge Männer überwachen die Anzeigen auf zahllosen Computer-Monitoren. Über 200 elektronische Regelkreise steuern den Detektor, dämpfen Schwingungen, filtern Störungen aus dem Signal. Eine Sisyphosarbeit, denn aufgrund seiner Empfindlichkeit reagiert GEO 600 auf die winzigsten Vibrationen: Ein ICE im 30 Kilometer entfernten Hannover, die Wellen der Nordseebrandung, ja selbst Ebbe und Flut der Erdkruste - also das durch den Mond hervorgerufene Atmen der Kontinentalplatten - all das registriert der Detektor in der Obstplantage. Weil diese Störeffekte weit größer sind, als die zu erwartende Wirkung einer Gravitationswelle, werden sie von den elektronischen Regelkreisen automatisch unterdrückt - vorausgesetzt, sie sind nicht zu groß, erklärt Dr. Harald Lück, der Chef der Gravitationswellenjäger im Baucontainer.
" Alle Erdbeben, die größer sind als etwa Stärke 6, stören uns so stark, dass sie das Interferometer teilweise aus dem Lock werfen, wie wir sagen. Also dass das Interferometer dann nicht mehr in seinem Betriebszustand gehalten werden kann. Und darunter, Erdbeben einer Stärke von weniger als 6, stören relativ wenig, weil unsere Aufhängung, die seismische Isolation, gut genug ist."
Wenn der Detektor aus dem Betriebszustand geworfen wird, ist er blind für Gravitationswellen. Für die Forscher im Container ist das eine Art GAU. Schließlich ist nur alle paar Jahre eine starke Gravitationswellen zu erwarten und keiner weiß, wann die nächste anrollt. Um nichts zu verpassen, gilt es deshalb, möglichst rund um die Uhr mit offenen Ohren ins All zu lauschen. Bei Fehlfunktionen springt deshalb sofort ein akustisches Warnsystem an.
Bei Betriebsstörungen tönt Musik aus einem PC-Lautsprecher, die jedem sofort klar macht: Es läuft etwas schief. Heute sind das aber alles nur Planspiele. Der Detektor läuft seit Tagen problemlos, alle sind zufrieden.
November 1915. Albert Einstein - mittlerweile seit eineinhalb Jahren Professor in Berlin - ist endlich am Ziel. Nach Jahren mühevollen Ringens gelingt ihm der Durchbruch: Die Allgemeine Relativitätstheorie - die zweite relativistische Revolution, die nun auch die bislang vernachlässigte Gravitation mit einbezieht. Professor Jürgen Renn:
" Das Besondere an dieser Leistung Allgemeine Relativitätstheorie ist, dass sie im Gegensatz zu anderen Leistungen Einsteins nicht gewissermaßen im Geist der Zeit lag. Die spezielle Relativitätstheorie, die hätte auch von anderen Leuten nicht 1905, aber vielleicht 1906 oder 1907 entwickelt werden können. Wissenschaftler wie Poincaré waren ihr auch dicht auf der Spur. Aber die Allgemeine Relativitätstheorie, die hätte auch vielleicht noch ein halbes Jahrhundert liegen bleiben können, wenn nicht jemand mit der Vision eines Einstein dieses Thema so verfolgt hätte."
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist Einsteins Meisterwerk. Im Gegensatz zur speziellen Relativitätstheorie lag sie nämlich nicht in der Luft. Albert Einstein ist der Einzige, der spürt, dass die Revolution von Raum und Zeit 1905 noch nicht zu Ende ist.
" Die ersten Idee dazu, das berühmte Äquivalenzprinzip, wird 1907 aufgestellt, da ist er noch in der Schweiz."Ich saß im Berner Patentamt in einem Sessel, als mir plötzlich der Gedanke kam: Wenn sich ein Mensch im freien Fall befindet, wird er seine eigene Schwere nicht empfinden können. Mir ging ein Licht auf. Dieser einfache Gedanke beeindruckte mich nachhaltig. Die Begeisterung, die ich da empfand, trieb mich dann zur Gravitationstheorie." Das hat dann allerdings sehr mühevolle Jahre erfordert, bis da schließlich klar geworden war, wie man das machen könnte. Da spielt dann auch eine Rolle, dass dafür eine bestimmte Mathematik notwendig war, die Einstein gar nicht geläufig war. Dabei hat ihm ein Freund von seiner Studienzeit aus Bern geholfen, Marcel Grossmann. Und erst nachdem er diese so genannte Riemannsche Geometrie gelernt hatte, hat er dann gesehen, wie man diese ursprüngliche Idee, dass die Gravitation gar keine Kraft ist, sondern etwas zu tun hat mit der Krümmung von Raum und Zeit, die hat der dann damit formulieren können. Und die endgültige Fassung dieser Allgemeinen Relativitätstheorie wurde im November 1915 dann veröffentlicht von ihm."
Jürgen Ehlers ist der Gründer des Max Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam - auch Albert Einstein-Institut genannt. Der emeritierte Professor hält es für einen Treppenwitz der Geschichte, dass der geniale Physiker den Nobelpreis nicht für seine Allgemeine Relativitätstheorie bekommen hat, sondern für seinen Beitrag zur Quantenmechanik.
" Ja, es ist eigentlich ziemlich unverständlich. Weil klar: Die größte schöpferische intellektuelle Leistung lag in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Aber so sind die Dinge nun mal."
Genau wie ihr Vorläufer prophezeit auch Einsteins Theorie der Gravitation eine Reihe bizarrer Phänomene.
Erstens: Der Raum ist krumm. Massive Körper wie unsere Sonne verzerren das vierdimensionale Gewebe der Raumzeit wie eine Bowling-Kugel eine Membran. Die Schwerkraft, die die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne hält, ist eine Folge dieser Krümmung des Raumes.
Zweitens: Lichtstrahlen werden gekrümmt. Gravitationsfelder lenken Lichtstrahlen von ihrer Bahn ab.
Drittens: In einem Gravitationsfeld ticken Uhren langsamer.
Und viertens: Massive Körper können die Raumzeit in Schwingung versetzen und Gravitationswellen aussenden.
" Eine Gravitationswelle ist eine Störung im Raum-Zeit-Gefüge. Eine Schwankung im Gravitationsfeld, die sich wellenförmig ausbreitet. Sie entsteht dann, wenn sich große Massen schnell verändern. Also zum Beispiel bei einer Sternenexplosion oder wenn Schwarze Löcher sich umkreisen. Das sind typische Objekte, die Gravitationswellen aussenden."
" Dazu ist es ganz gut, eben doch wieder auf dieses Bild mit der Membran zurückzukommen. Stellen sie sich vor eine elastische Membran und sie setzen jetzt auf diese Membran eine Kugel drauf. Die wird dann die Membran eindellen in der Mitte. Jetzt stellen sie sich aber vor, dass sie diese Kugel etwas rauf und runter bewegen. Oder aber auch, dass diese Kugel in ihrer Größe etwas hin und her schwankt. Dann wird doch die Membran etwas hin und schwingen, und zwar in einer zeitlich veränderlichen Weise. Und dann werden über die Membran so kleine Verformungswellen drüber weglaufen. So ähnlich, wie wenn man eine Wasseroberfläche hat und drauf einen Korken hin und her bewegt, sollten sich dann von dieser Stelle aus sozusagen Störungen in der Raum-Zeit-Geometrie ausbreiten und nach außen wellenartig weglaufen. Und diese Wellen sollten eben nach der Theorie mit der gleichen Geschwindigkeit durch den Raum laufen, wie eben das Licht und elektromagnetische Wellen."
" Es ist eine Welle in der Struktur des Raumes. Und die führt dazu, dass zwischen den Objekten Längenänderungen auftreten. Dass praktisch anschaulich gesprochen alle Objekte verzerrt werden. In der einen Richtung werden sie verlängert, in der anderen gestaucht."
Dummerweise sind diese Längenänderung winzig: Eine typische Gravitationswelle sollte die 1,5 Millionen Kilometer lange Strecke von der Erde zur Sonne um gerade einmal einen Atomdurchmesser verkürzen - weshalb Einstein selbst davon ausging, dass man den Effekt wohl nie direkt wird nachweisen können. Seit einigen Jahren versuchen es Einsteins Erben trotzdem. Mit Hilfe von Laser-Interferometern, den Präzisionslinealen der Physik, wollen sie die aberwitzig kleinen Stauchungen messen.
" Wir haben insgesamt 5 größere Detektoren. Die größten sind in Amerika. Die haben zwei Interferometer mit 4 Kilometer langen Messstrecken. Dann gibt's eben GEO 600, mit 600 Meter langen Messstrecken. In Japan gibt's ein 300 Meter langes Gerät. Und die Franzosen und Italiener haben gerade VIRGO gebaut. Das ist ein 3 km Gerät in Italien. Die sind aber noch nicht messbereit."
Die Jagd nach Gravitationswellen ist in vollem Gange. Rund um den Globus liegen Forscher auf der Lauer und horchen mit ultraempfindlichen Riesen-Sensoren in die Tiefen des Alls. Bislang ohne Erfolg.
" Der Nachteil unserer Forschung ist der, dass die stärksten Signale relativ selten sind. Also eine Sternenexplosion passiert eben in der Milchstraße nur alle 30 Jahre. Und deswegen muss man auch so empfindlich sein, dass man auch noch Nachbargalaxien beobachten kann. Und das wird eben von allen Projekten angestrebt. Deswegen braucht man eben riesige Empfindlichkeiten. Wir müssen fähig sein, Längenschwankungen von 10 hoch minus 21 nachzuweisen. Auf unsere Messstrecke angewendet, heißt das, dass man fähig ist, eine Längenänderung nachzuweisen, die 1000 Mal kleiner ist, als ein Atomkern."
Seit seiner Inbetriebnahme hat sich der Detektor bei Hannover bis auf einen Faktor 10 an die angestrebte Empfindlichkeit herangetastet. Durch die Analyse der in ein Tonsignal umgewandelten Ausgangsintensität des Interferometers, versuchen die vier Wissenschaftler im Baucontainer das Hintergrundrauschen weiter zu reduzieren - eine mühsame Angelegenheit, die Monate, wenn nicht Jahre dauern kann.
Plötzlich weicht die Routine hektischer Betriebsamkeit. Der Detektor ist aus dem Betriebszustand geflogen. Und diesmal ist es keine Demonstration für den Besucher. Der Auslöser des Zwischenfalls ist schnell ausgemacht.
Ein Lastwagen ist längs der Messstrecke den Feldweg lang gefahren, um das 50 Meter vom Kontrollcontainer entfernte Dixieklo zu leeren. Weil die laufende Messung außerplanmäßig verlängert wurde, haben die Physiker ganz vergessen, dem Mann abzusagen. Die Erschütterungen durch den abfahrenden LKW waren zu groß; die Systeme zur Schwingungsdämpfung konnten sie nicht ausgleichen. Ein Mini-Erdbeben, ausgelöst durch ein Klohäuschen, lässt das Ohr der Gravitationswellen-Detektive minutenlang taub werden.
November 1919. Albert Einstein wird über Nacht weltberühmt. Die Bilder einer Sonnenfinsternis bestätigen, dass massive Körper tatsächlich Lichtstrahlen ablenken - wie von Einstein vorhergesagt.
"Gegenwärtig diskutiert jeder Kutscher und jeder Kellner, ob die Relativitätstheorie richtig ist. Ob mir das lächerlich vorkommt, diese hier wie dort festzustellende Aufregung der Massen über meine Theorien, von denen die Leute doch kein Wort verstehen? Ich bin sicher, dass es das Mysterium des Nicht-Verstehens ist, was sie so oft anzieht."
Die vier Gravitationswellenjäger im Container haben immer noch alle Hände voll zu tun. Weil die Erde nach der Abfahrt des Toiletten-Lasters minutenlang nachschwingt, müssen sie manuell nachjustieren. Konzentriert starren sie auf die Monitore und verändern die Parameter von Regelkreisen. Alles schon tausendmal durchexerziert und deshalb reine Routine - aber zeitaufwändig ist die Prozedur trotzdem.
Also eine gute Gelegenheit, sich einmal den Gravitationswellendetektor der Zukunft anzuschauen. Der heißt LISA und ist so groß, dass selbst die größte Obstplantage zu klein wäre, um ihn darin zu vergraben.
" LISA ist "laser interferometric space antenna". Das ist ein Gravitationswellen-Detektor im Weltraum. Der besteht aus drei Satelliten in einem Abstand von 5 Millionen Kilometern - ein gleichseitiges Dreieck - zwischen denen Laserstrahlen hin und her geschickt werden. Und die Laserstrahlen messen winzige Abstandsänderungen im Picometerbereich zwischen den Satelliten. Gravitationswellen machen sich als kleine Änderungen dieser Abstände bemerkbar."
Der Physiker Dr. Gerhard Heinzel arbeitet in einem großen Labor an der Universität Hannover an der Testplattform LISA-Pathfinder, die 2008 ins All geschossen werden soll - als Vorläufer von LISA. Wenn dabei alles glatt geht, sollen die drei baugleichen LISA-Satelliten, die an überdimensionale Pucks erinnern, 2012 ins All starten. Gemeinsam bilden sie dann den größten Detektor, der je gebaut wurde.
Aufmuth:
" LISA ist nicht nur ein empfindlicheres Gerät, weil es eben längere Arme hat - da arbeite ich nicht nur mit 4 Kilometer langen Messstrecken, sondern mit 5 Millionen Kilometer langen Messstrecken, zwischen Satelliten. Das heißt: LISA ist automatisch eine Million mal besser als alles, was ich auf der Erde machen kann. Aber wegen der größeren Messstrecken reagiert es auch auf einen anderen Messbereich, nämlich auf den kleineren Frequenzbereich. LISA ist speziell für den Millihertz-Bereich ausgelegt. Dort liegen aber gerade einige interessante Quellen. Zum Beispiel alle Ereignisse, die irgendwie mit Schwarzen Löchern zu tun haben, und alle Doppelsternsysteme, die weiter weg sind und dann eben schwächer sind. Systeme von weißen Zwergen liegen in diesem Bereich. Da gibt's also eine Fülle von Quellen. Und deswegen muss man sich was einfallen lassen, um diesen Bereich auch beobachten zu können. Und dafür ist eben LISA da."
Der Mega-Detektor eröffnet den Astronomen also ein ganz neues Fenster ins All. Selbst wenn der erste direkte Nachweis einer Gravitationswelle auf der Erde gelingen sollte: Die genaue Untersuchung ihrer kosmischen Quellen wird erst LISA möglich machen.
Ehlers:
" Wer zum ersten Mal so was nachweisen kann, hat eine extrem gute Chance, den Nobelpreis zu kriegen."
Aufmuth:
" Ich bin da eigentlich ganz optimistisch. Ich denke schon, dass wir das in den nächsten zwei oder drei Jahren schaffen werden."
Nach einer halben Stunde Hektik läuft GEO 600 wieder - das Ohr für das Konzert des Kosmos lauscht weiter in die Tiefen des Alls. Und nach Meinung der Forscher kann es nur eine Frage der Zeit sein, bis ihnen oder ihren Kollegen in den USA, Japan und Europa die erste Gravitationswelle ins Netz geht.
Doch die Suche ist ein Spiel mit vielen Unbekannten. Weil noch niemand eine der mysteriösen Raumzeit-Verzerrungen gesehen hat, wissen Einsteins Erben nur ungefähr, nach welchen Mustern sie im Rauschen ihrer Detektoren Ausschau halten müssen. Sollten die Theoretiker daneben liegen, könnte es erst einer noch empfindlicheren Detektor-Generation gelingen, erstmals eine Gravitationswelle nachzuweisen. Wenn auch die nichts entdeckt, hätten die Physiker ein ernstes Problem.
Ehlers:
" Wenn man in 10 Jahren nichts sieht, dann wäre das schon eine Krise."
Aufmuth:
" Also sagen wir mal so: Wenn auch LISA nichts sähe, dann würde irgendwas fundamental mit der Theorie nicht in Ordnung sein - was eigentlich keiner glaubt."
Heinzel:
" Das wäre eine extrem große Überraschung und das würde bedeuten, dass die Gravitationstheorie und unsere Vorstellung vom Universum grundlegend falsch ist."
Besonders wahrscheinlich ist das aber nicht. Denn auch wenn der direkte Nachweis noch aussteht - indirekte Beweise für die Existenz von Gravitationswellen, die gebe es schon, sagt Peter Aufmuth. Und zwar durch radioastronomische Beobachtungen von Doppelsternsystemen.
Aufmuth:
" Wenn zwei Sterne umeinander kreisen, senden sie Gravitationswellen aus. Dadurch verlieren sie Energie. Sie rücken dann näher zusammen und kreisen schneller umeinander. Und das kann man messen. Und wenn man jetzt nach der Einsteinschen Theorie ausrechnet, wie viel schneller sie pro Jahr umeinander kreisen sollten, dann stimmt das exakt mit dem überein, was man misst. Und das kann kein Zufall sein."
GEO 600, das ist Peter Aufmuths Ohr für das Konzert des Kosmos. Um es zu sehen, muss man von Hannover aus mit dem Auto eine halbe Stunde aufs Land fahren.
" Die Vorarbeiten begannen letztlich 1972, so dass also einige Leute schon seit 30 Jahren dabei sind."
Das Ziel der Fahrt liegt inmitten von Obstplantagen an einem asphaltierten Feldweg im Nieselregen: Der Gravitationswellendektor GEO 600.
" Aha, das Tor ist geöffnet. Wir fahren jetzt also hier rum... Hier sehen wir jetzt das Endhaus. In diesem Haus ist also ein Vakuumtank enthalten, der den einen Endspiegel enthält. Und hier beginnt die 600 Meter lange Messstrecke. Hier sehen wir die Rohrabdeckung. Das Rohr selbst ist hier in einem Graben aufgehängt. Wir sehen jetzt hier nur die Abdeckung dieses Grabens."
In dem 600 Meter langen luftleeren Rohr läuft ein unsichtbarer Infrarot-Laserstrahl hin und zurück. In einem Baucontainer am anderen Ende des Rohres befindet sich der Detektor. Dort wird das Laserlicht mit dem Strahl aus einem zweiten 600 Meter langen Rohr überlagert, das im rechten Winkel zum ersten verläuft. Die L-förmige Struktur im Boden ist ein gigantisches Interferometer, mit dem die Physiker kleinste Längenänderungen messen können. Und genau dadurch sollen sich die Gravitationswellen verraten: Die von Einstein vorhergesagten Störungen im vierdimensionalen Gefüge von Raum und Zeit verzerren alles, was ihnen in die Quere kommt.
" Wenn eine Gravitationswelle kommt, verändert sie die beiden senkrecht aufeinander stehenden Messstrecken etwas unterschiedlich. Das heißt: Die eine wird etwas länger, die andere etwas kürzer, grob gesprochen. Ich vergleiche diese beiden Messstrecken mit dem Interferometer und erziele am Ausgang eine kleine Lichtschwankung, die diesem Unterschied entspricht. Das ist das, wonach ich gucke: Ich sehe eine kleine Intensitätsschwankung am Ausgang des Interferometers."
Mitte Mai 1905 - genaues Datum unbekannt. Der 26-jährige Angestellte 3. Klasse am Berner Patentamt hat wieder einmal kaum geschlafen. Auf seinem Schreibtisch in der Wohnung in der Kramgasse türmen sich Zettel, voll gekritzelt mit Formeln, der Aschenbecher quillt über. Dabei hatte Einstein noch tags zuvor seinem Freund Michele Besso erklärt: "Ich gebe auf." Doch diese Nacht bringt den Durchbruch. Am nächsten Morgen ist alles klar. Peter Galison, Professor für Wissenschaftsgeschichte an der Universität Harvard.
Am folgenden Tag ging Einstein wieder einmal mit seinem Freund Michele Besso spazieren. Und er sagte zu ihm: "Ich habe das Problem vollständig gelöst." Er zeigte erst zu einer Uhr im Zentrum von Bern und dann zu einer Uhr in einem Vorort und sagte: Wir müssen definieren, was Gleichzeitigkeit bedeutet. Um sicherzustellen, dass zwei Uhren an unterschiedlichen Orten dieselbe Zeit anzeigen, muss man ein Signal von einer Uhr zu anderen schicken. Und dann erklärte er Michele Besso, wie das die lang gesuchte Theorie der Elektrodynamik bewegter Körper zum Abschluss bringen würde. Wir wissen heute sogar ungefähr, wo die beiden damals standen, denn es gibt nur einen Ort auf diesen Hügeln, von wo man die beide Uhrentürme sehen kann. Sechs Wochen später reichte Einstein den Artikel zur Veröffentlichung ein. Es wurde der berühmteste physikalische Aufsatz des 20. Jahrhunderts.
In den Monaten zuvor hatte der junge Patentprüfer aus Bern bereits zwei weitere Arbeiten publiziert, die ganze Zweige der Physik revolutionieren, darunter ein Artikel über die Teilchennatur von Licht - Einsteins Beitrag zur Begründung der Quantentheorie, für den er später den Nobelpreis bekommen sollte. Aber die spezielle Relativitätstheorie, die Albert Einstein am 30. Juni bei den ‚Annalen der Physik' einreicht, ist sein größter Coup von 1905, denn sie bringt die Grundfesten des physikalischen Weltbildes ins Wanken: Raum und Zeit.
"Der normale Erwachsene denkt über die Raum-Zeit-Probleme kaum nach. Das hat er nach seiner Meinung bereits als Kind getan. Ich hingegen habe mich geistig derart langsam entwickelt, dass ich erst als Erwachsener anfing, mich über Raum und Zeit zu wundern. Naturgemäß bin ich dann tiefer in die Problematik eingedrungen, als die normal veranlagten Kinder."
Die spezielle Relativitätstheorie führt zu einer Reihe von Schlussfolgerungen, die unser Weltbild auf den Kopf stellen. Der Begriff Gleichzeitigkeit wird plötzlich relativ. Sekunden werden gedehnt und Lineale gestaucht, wenn sich Objekte schnell bewegen. Und Energie und Masse eines Körpers lassen sich ineinander umwandeln: E=mc2.
Prof. Jürgen Renn, Direktor am Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte in Berlin.
" Wir sind jetzt in eine Welt eingetreten, wo gewissermaßen das, was vorher die Bühne war, jetzt Teil des Theaterstücks geworden ist. Und das ist schon eine radikale Veränderung der Weltsicht. Und dadurch ist seine Revolution nicht nur eine Revolution für Spezialisten gewesen, sondern hat wirklich ein Weltbild erschüttern können, weil damit auch die Begriffe, mit denen wir im Alltag unsere Welt ordnen, erschüttert worden sind."
Für den Patentprüfer in Bern ist die Sache damit aber noch längst nicht abgehakt. In seinem Kopf gärt es weiter. Denn die spezielle Relativitätstheorie lässt eine zentrale Frage offen: Sie erlaubt keinerlei Aussagen über die allgegenwärtige Gravitationskraft, deren Wirkung unsere Füße am Boden und die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne hält.
"Ich habe keine besondere Begabung, ich bin nur leidenschaftlich neugierig."
Einstein will die spezielle Relativitätstheorie so verallgemeinern, dass sie auch die Gravitation mit einbezieht, also die beschleunigte Bewegung von Körpern in Schwerefeldern - ein ehrgeiziges Vorhaben, an dem er sich 10 Jahre lang die Zähne ausbeißen wird.
Ehlers:
" Wer zum ersten Mal so was nachweisen kann, hat eine extrem gute Chance, den Nobelpreis zu kriegen."
Aufmuth:
" Ich bin da eigentlich ganz optimistisch. Ich denke schon, dass wir das in den nächsten zwei oder drei Jahren schaffen werden."
Heinzel:
" Er selber hat ja die Existenz von Gravitationswellen schon gefolgert aus seiner Theorie."
In der Obstplantage bei Hannover ist der Nieselregen stärker geworden. Einer der drei Baucontainer beherbergt das Herzstück von GEO 600: Den Detektor, in dem sich die Laserstrahlen der beiden 600 Meter langen Messstrecken überlagern. Die Tür dieses Containers bleibt heute aber geschlossen, weil gerade eine Messung läuft. Da müssen Erschütterungen aller Art vermieden werden, sagt Peter Aufmuth.
" Der Kontrollraum befindet sich hier. Hier sitzen jetzt die Leute, die den Detektor justiert haben und den jetzt überwachen und an Kontrollcomputern das Signal nehmen."
In der Ecke des Baucontainers steht eine lebensgroße Papp-Figur von Albert Einstein. Vier junge Männer überwachen die Anzeigen auf zahllosen Computer-Monitoren. Über 200 elektronische Regelkreise steuern den Detektor, dämpfen Schwingungen, filtern Störungen aus dem Signal. Eine Sisyphosarbeit, denn aufgrund seiner Empfindlichkeit reagiert GEO 600 auf die winzigsten Vibrationen: Ein ICE im 30 Kilometer entfernten Hannover, die Wellen der Nordseebrandung, ja selbst Ebbe und Flut der Erdkruste - also das durch den Mond hervorgerufene Atmen der Kontinentalplatten - all das registriert der Detektor in der Obstplantage. Weil diese Störeffekte weit größer sind, als die zu erwartende Wirkung einer Gravitationswelle, werden sie von den elektronischen Regelkreisen automatisch unterdrückt - vorausgesetzt, sie sind nicht zu groß, erklärt Dr. Harald Lück, der Chef der Gravitationswellenjäger im Baucontainer.
" Alle Erdbeben, die größer sind als etwa Stärke 6, stören uns so stark, dass sie das Interferometer teilweise aus dem Lock werfen, wie wir sagen. Also dass das Interferometer dann nicht mehr in seinem Betriebszustand gehalten werden kann. Und darunter, Erdbeben einer Stärke von weniger als 6, stören relativ wenig, weil unsere Aufhängung, die seismische Isolation, gut genug ist."
Wenn der Detektor aus dem Betriebszustand geworfen wird, ist er blind für Gravitationswellen. Für die Forscher im Container ist das eine Art GAU. Schließlich ist nur alle paar Jahre eine starke Gravitationswellen zu erwarten und keiner weiß, wann die nächste anrollt. Um nichts zu verpassen, gilt es deshalb, möglichst rund um die Uhr mit offenen Ohren ins All zu lauschen. Bei Fehlfunktionen springt deshalb sofort ein akustisches Warnsystem an.
Bei Betriebsstörungen tönt Musik aus einem PC-Lautsprecher, die jedem sofort klar macht: Es läuft etwas schief. Heute sind das aber alles nur Planspiele. Der Detektor läuft seit Tagen problemlos, alle sind zufrieden.
November 1915. Albert Einstein - mittlerweile seit eineinhalb Jahren Professor in Berlin - ist endlich am Ziel. Nach Jahren mühevollen Ringens gelingt ihm der Durchbruch: Die Allgemeine Relativitätstheorie - die zweite relativistische Revolution, die nun auch die bislang vernachlässigte Gravitation mit einbezieht. Professor Jürgen Renn:
" Das Besondere an dieser Leistung Allgemeine Relativitätstheorie ist, dass sie im Gegensatz zu anderen Leistungen Einsteins nicht gewissermaßen im Geist der Zeit lag. Die spezielle Relativitätstheorie, die hätte auch von anderen Leuten nicht 1905, aber vielleicht 1906 oder 1907 entwickelt werden können. Wissenschaftler wie Poincaré waren ihr auch dicht auf der Spur. Aber die Allgemeine Relativitätstheorie, die hätte auch vielleicht noch ein halbes Jahrhundert liegen bleiben können, wenn nicht jemand mit der Vision eines Einstein dieses Thema so verfolgt hätte."
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist Einsteins Meisterwerk. Im Gegensatz zur speziellen Relativitätstheorie lag sie nämlich nicht in der Luft. Albert Einstein ist der Einzige, der spürt, dass die Revolution von Raum und Zeit 1905 noch nicht zu Ende ist.
" Die ersten Idee dazu, das berühmte Äquivalenzprinzip, wird 1907 aufgestellt, da ist er noch in der Schweiz."Ich saß im Berner Patentamt in einem Sessel, als mir plötzlich der Gedanke kam: Wenn sich ein Mensch im freien Fall befindet, wird er seine eigene Schwere nicht empfinden können. Mir ging ein Licht auf. Dieser einfache Gedanke beeindruckte mich nachhaltig. Die Begeisterung, die ich da empfand, trieb mich dann zur Gravitationstheorie." Das hat dann allerdings sehr mühevolle Jahre erfordert, bis da schließlich klar geworden war, wie man das machen könnte. Da spielt dann auch eine Rolle, dass dafür eine bestimmte Mathematik notwendig war, die Einstein gar nicht geläufig war. Dabei hat ihm ein Freund von seiner Studienzeit aus Bern geholfen, Marcel Grossmann. Und erst nachdem er diese so genannte Riemannsche Geometrie gelernt hatte, hat er dann gesehen, wie man diese ursprüngliche Idee, dass die Gravitation gar keine Kraft ist, sondern etwas zu tun hat mit der Krümmung von Raum und Zeit, die hat der dann damit formulieren können. Und die endgültige Fassung dieser Allgemeinen Relativitätstheorie wurde im November 1915 dann veröffentlicht von ihm."
Jürgen Ehlers ist der Gründer des Max Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam - auch Albert Einstein-Institut genannt. Der emeritierte Professor hält es für einen Treppenwitz der Geschichte, dass der geniale Physiker den Nobelpreis nicht für seine Allgemeine Relativitätstheorie bekommen hat, sondern für seinen Beitrag zur Quantenmechanik.
" Ja, es ist eigentlich ziemlich unverständlich. Weil klar: Die größte schöpferische intellektuelle Leistung lag in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Aber so sind die Dinge nun mal."
Genau wie ihr Vorläufer prophezeit auch Einsteins Theorie der Gravitation eine Reihe bizarrer Phänomene.
Erstens: Der Raum ist krumm. Massive Körper wie unsere Sonne verzerren das vierdimensionale Gewebe der Raumzeit wie eine Bowling-Kugel eine Membran. Die Schwerkraft, die die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne hält, ist eine Folge dieser Krümmung des Raumes.
Zweitens: Lichtstrahlen werden gekrümmt. Gravitationsfelder lenken Lichtstrahlen von ihrer Bahn ab.
Drittens: In einem Gravitationsfeld ticken Uhren langsamer.
Und viertens: Massive Körper können die Raumzeit in Schwingung versetzen und Gravitationswellen aussenden.
" Eine Gravitationswelle ist eine Störung im Raum-Zeit-Gefüge. Eine Schwankung im Gravitationsfeld, die sich wellenförmig ausbreitet. Sie entsteht dann, wenn sich große Massen schnell verändern. Also zum Beispiel bei einer Sternenexplosion oder wenn Schwarze Löcher sich umkreisen. Das sind typische Objekte, die Gravitationswellen aussenden."
" Dazu ist es ganz gut, eben doch wieder auf dieses Bild mit der Membran zurückzukommen. Stellen sie sich vor eine elastische Membran und sie setzen jetzt auf diese Membran eine Kugel drauf. Die wird dann die Membran eindellen in der Mitte. Jetzt stellen sie sich aber vor, dass sie diese Kugel etwas rauf und runter bewegen. Oder aber auch, dass diese Kugel in ihrer Größe etwas hin und her schwankt. Dann wird doch die Membran etwas hin und schwingen, und zwar in einer zeitlich veränderlichen Weise. Und dann werden über die Membran so kleine Verformungswellen drüber weglaufen. So ähnlich, wie wenn man eine Wasseroberfläche hat und drauf einen Korken hin und her bewegt, sollten sich dann von dieser Stelle aus sozusagen Störungen in der Raum-Zeit-Geometrie ausbreiten und nach außen wellenartig weglaufen. Und diese Wellen sollten eben nach der Theorie mit der gleichen Geschwindigkeit durch den Raum laufen, wie eben das Licht und elektromagnetische Wellen."
" Es ist eine Welle in der Struktur des Raumes. Und die führt dazu, dass zwischen den Objekten Längenänderungen auftreten. Dass praktisch anschaulich gesprochen alle Objekte verzerrt werden. In der einen Richtung werden sie verlängert, in der anderen gestaucht."
Dummerweise sind diese Längenänderung winzig: Eine typische Gravitationswelle sollte die 1,5 Millionen Kilometer lange Strecke von der Erde zur Sonne um gerade einmal einen Atomdurchmesser verkürzen - weshalb Einstein selbst davon ausging, dass man den Effekt wohl nie direkt wird nachweisen können. Seit einigen Jahren versuchen es Einsteins Erben trotzdem. Mit Hilfe von Laser-Interferometern, den Präzisionslinealen der Physik, wollen sie die aberwitzig kleinen Stauchungen messen.
" Wir haben insgesamt 5 größere Detektoren. Die größten sind in Amerika. Die haben zwei Interferometer mit 4 Kilometer langen Messstrecken. Dann gibt's eben GEO 600, mit 600 Meter langen Messstrecken. In Japan gibt's ein 300 Meter langes Gerät. Und die Franzosen und Italiener haben gerade VIRGO gebaut. Das ist ein 3 km Gerät in Italien. Die sind aber noch nicht messbereit."
Die Jagd nach Gravitationswellen ist in vollem Gange. Rund um den Globus liegen Forscher auf der Lauer und horchen mit ultraempfindlichen Riesen-Sensoren in die Tiefen des Alls. Bislang ohne Erfolg.
" Der Nachteil unserer Forschung ist der, dass die stärksten Signale relativ selten sind. Also eine Sternenexplosion passiert eben in der Milchstraße nur alle 30 Jahre. Und deswegen muss man auch so empfindlich sein, dass man auch noch Nachbargalaxien beobachten kann. Und das wird eben von allen Projekten angestrebt. Deswegen braucht man eben riesige Empfindlichkeiten. Wir müssen fähig sein, Längenschwankungen von 10 hoch minus 21 nachzuweisen. Auf unsere Messstrecke angewendet, heißt das, dass man fähig ist, eine Längenänderung nachzuweisen, die 1000 Mal kleiner ist, als ein Atomkern."
Seit seiner Inbetriebnahme hat sich der Detektor bei Hannover bis auf einen Faktor 10 an die angestrebte Empfindlichkeit herangetastet. Durch die Analyse der in ein Tonsignal umgewandelten Ausgangsintensität des Interferometers, versuchen die vier Wissenschaftler im Baucontainer das Hintergrundrauschen weiter zu reduzieren - eine mühsame Angelegenheit, die Monate, wenn nicht Jahre dauern kann.
Plötzlich weicht die Routine hektischer Betriebsamkeit. Der Detektor ist aus dem Betriebszustand geflogen. Und diesmal ist es keine Demonstration für den Besucher. Der Auslöser des Zwischenfalls ist schnell ausgemacht.
Ein Lastwagen ist längs der Messstrecke den Feldweg lang gefahren, um das 50 Meter vom Kontrollcontainer entfernte Dixieklo zu leeren. Weil die laufende Messung außerplanmäßig verlängert wurde, haben die Physiker ganz vergessen, dem Mann abzusagen. Die Erschütterungen durch den abfahrenden LKW waren zu groß; die Systeme zur Schwingungsdämpfung konnten sie nicht ausgleichen. Ein Mini-Erdbeben, ausgelöst durch ein Klohäuschen, lässt das Ohr der Gravitationswellen-Detektive minutenlang taub werden.
November 1919. Albert Einstein wird über Nacht weltberühmt. Die Bilder einer Sonnenfinsternis bestätigen, dass massive Körper tatsächlich Lichtstrahlen ablenken - wie von Einstein vorhergesagt.
"Gegenwärtig diskutiert jeder Kutscher und jeder Kellner, ob die Relativitätstheorie richtig ist. Ob mir das lächerlich vorkommt, diese hier wie dort festzustellende Aufregung der Massen über meine Theorien, von denen die Leute doch kein Wort verstehen? Ich bin sicher, dass es das Mysterium des Nicht-Verstehens ist, was sie so oft anzieht."
Die vier Gravitationswellenjäger im Container haben immer noch alle Hände voll zu tun. Weil die Erde nach der Abfahrt des Toiletten-Lasters minutenlang nachschwingt, müssen sie manuell nachjustieren. Konzentriert starren sie auf die Monitore und verändern die Parameter von Regelkreisen. Alles schon tausendmal durchexerziert und deshalb reine Routine - aber zeitaufwändig ist die Prozedur trotzdem.
Also eine gute Gelegenheit, sich einmal den Gravitationswellendetektor der Zukunft anzuschauen. Der heißt LISA und ist so groß, dass selbst die größte Obstplantage zu klein wäre, um ihn darin zu vergraben.
" LISA ist "laser interferometric space antenna". Das ist ein Gravitationswellen-Detektor im Weltraum. Der besteht aus drei Satelliten in einem Abstand von 5 Millionen Kilometern - ein gleichseitiges Dreieck - zwischen denen Laserstrahlen hin und her geschickt werden. Und die Laserstrahlen messen winzige Abstandsänderungen im Picometerbereich zwischen den Satelliten. Gravitationswellen machen sich als kleine Änderungen dieser Abstände bemerkbar."
Der Physiker Dr. Gerhard Heinzel arbeitet in einem großen Labor an der Universität Hannover an der Testplattform LISA-Pathfinder, die 2008 ins All geschossen werden soll - als Vorläufer von LISA. Wenn dabei alles glatt geht, sollen die drei baugleichen LISA-Satelliten, die an überdimensionale Pucks erinnern, 2012 ins All starten. Gemeinsam bilden sie dann den größten Detektor, der je gebaut wurde.
Aufmuth:
" LISA ist nicht nur ein empfindlicheres Gerät, weil es eben längere Arme hat - da arbeite ich nicht nur mit 4 Kilometer langen Messstrecken, sondern mit 5 Millionen Kilometer langen Messstrecken, zwischen Satelliten. Das heißt: LISA ist automatisch eine Million mal besser als alles, was ich auf der Erde machen kann. Aber wegen der größeren Messstrecken reagiert es auch auf einen anderen Messbereich, nämlich auf den kleineren Frequenzbereich. LISA ist speziell für den Millihertz-Bereich ausgelegt. Dort liegen aber gerade einige interessante Quellen. Zum Beispiel alle Ereignisse, die irgendwie mit Schwarzen Löchern zu tun haben, und alle Doppelsternsysteme, die weiter weg sind und dann eben schwächer sind. Systeme von weißen Zwergen liegen in diesem Bereich. Da gibt's also eine Fülle von Quellen. Und deswegen muss man sich was einfallen lassen, um diesen Bereich auch beobachten zu können. Und dafür ist eben LISA da."
Der Mega-Detektor eröffnet den Astronomen also ein ganz neues Fenster ins All. Selbst wenn der erste direkte Nachweis einer Gravitationswelle auf der Erde gelingen sollte: Die genaue Untersuchung ihrer kosmischen Quellen wird erst LISA möglich machen.
Ehlers:
" Wer zum ersten Mal so was nachweisen kann, hat eine extrem gute Chance, den Nobelpreis zu kriegen."
Aufmuth:
" Ich bin da eigentlich ganz optimistisch. Ich denke schon, dass wir das in den nächsten zwei oder drei Jahren schaffen werden."
Nach einer halben Stunde Hektik läuft GEO 600 wieder - das Ohr für das Konzert des Kosmos lauscht weiter in die Tiefen des Alls. Und nach Meinung der Forscher kann es nur eine Frage der Zeit sein, bis ihnen oder ihren Kollegen in den USA, Japan und Europa die erste Gravitationswelle ins Netz geht.
Doch die Suche ist ein Spiel mit vielen Unbekannten. Weil noch niemand eine der mysteriösen Raumzeit-Verzerrungen gesehen hat, wissen Einsteins Erben nur ungefähr, nach welchen Mustern sie im Rauschen ihrer Detektoren Ausschau halten müssen. Sollten die Theoretiker daneben liegen, könnte es erst einer noch empfindlicheren Detektor-Generation gelingen, erstmals eine Gravitationswelle nachzuweisen. Wenn auch die nichts entdeckt, hätten die Physiker ein ernstes Problem.
Ehlers:
" Wenn man in 10 Jahren nichts sieht, dann wäre das schon eine Krise."
Aufmuth:
" Also sagen wir mal so: Wenn auch LISA nichts sähe, dann würde irgendwas fundamental mit der Theorie nicht in Ordnung sein - was eigentlich keiner glaubt."
Heinzel:
" Das wäre eine extrem große Überraschung und das würde bedeuten, dass die Gravitationstheorie und unsere Vorstellung vom Universum grundlegend falsch ist."
Besonders wahrscheinlich ist das aber nicht. Denn auch wenn der direkte Nachweis noch aussteht - indirekte Beweise für die Existenz von Gravitationswellen, die gebe es schon, sagt Peter Aufmuth. Und zwar durch radioastronomische Beobachtungen von Doppelsternsystemen.
Aufmuth:
" Wenn zwei Sterne umeinander kreisen, senden sie Gravitationswellen aus. Dadurch verlieren sie Energie. Sie rücken dann näher zusammen und kreisen schneller umeinander. Und das kann man messen. Und wenn man jetzt nach der Einsteinschen Theorie ausrechnet, wie viel schneller sie pro Jahr umeinander kreisen sollten, dann stimmt das exakt mit dem überein, was man misst. Und das kann kein Zufall sein."