Sternengeschichten   /     Sternengeschichten Folge 590: Joseph Weber und der vielleicht erste Nachweis von Gravitationswellen

Description

2015 konnten Gravitationswellen das erste Mal nachgewiesen werden. Aber vielleicht hat es Joseph Weber schon 1969 geschafft. Wieso wir das nicht so genau wissen, erfahrt ihr in der neuen Folge der Sternengeschichten. Wer den Podcast finanziell unterst├╝tzen m├Âchte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten

Subtitle
Pionier ohne Erfolgserlebnis
Duration
746
Publishing date
2024-03-15 06:00
Link
https://sternengeschichten.podigee.io/590-sternengeschichten-folge-590-joseph-weber-und-der-vielleicht-erste-nachweis-von-gravitationswellen
Contributors
  Florian Freistetter
author  
Enclosures
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Shownotes

Pionier ohne Erfolgserlebnis

Sternengeschichten Folge 590: Joseph Weber und der vielleicht erste Nachweis von Gravitationswellen

Gravitationswellen! Dar├╝ber habe ich in den Folgen 102 und 184 der Sternengeschichten schon ausf├╝hrlich gesprochen. Dieses Ph├Ąnomen war lange Zeit reine Theorie. Albert Einstein hat zu Beginn des 20. Jahrhunderts vorhergesagt, dass es so etwas geben muss und es hat auch eigentlich niemand daran gezweifelt, dass es tats├Ąchlich existiert. Woran man aber immer wieder sehr wohl gezweifelt hat, war die Frage, ob man die Gravitationswellen irgendwann auch nachweisen wird k├Ânnen.

Aber fangen wir vielleicht noch einmal mit einer ganz kurzen Wiederholung an. Was sind Gravitationswellen? Wir wissen, dass der Raum nicht einfach nur ein abstraktes Dinges ist, sondern ein reales physikalisches Objekt. Der Raum kann vor allem gekr├╝mmt werden und Albert Einstein hat uns nicht nur erkl├Ąrt, dass die Anwesenheit von Masse den Raum kr├╝mmt, sondern wir diese Raumkr├╝mmung als Gravitationskraft wahrnehmen. Die Erde bewegt sich nicht deswegen um die Sonne, weil da irgendeine mysteri├Âse Kraft wirkt. Oder halt doch, irgendwie. Die Sonne kr├╝mmt den Raum und die Erde muss bei ihrer Bewegung dieser Raumkr├╝mmung folgen und umkreist die Sonne deshalb, was f├╝r uns so aussieht, wie eine Kraft, die zwischen beiden Himmelsk├Ârpern wirkt. Damit ist auch eine Frage beantwortet worden, die vor Einstein nicht beantwortet werden konnte: Wie schnell breitet sich die Gravitationskraft aus? Isaac Newton hat noch gesagt, dass sie unendlich schnell wirkt. Wenn die Sonne verschwindet, w├╝rden wir auf der Erde sofort sp├╝ren, dass ihre Anziehungskraft weg ist. Einstein dagegen hat erkl├Ąrt, dass sich die Kr├╝mmung des Raums nicht beliebig schnell ver├Ąndern kann. Sondern nur mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn also die Sonne verschwindet, dann dauert es 8 Minuten - so lange braucht Licht von der Sonne bis zu Erde - bis auch die ver├Ąnderte Raumkr├╝mmung sich bis zu uns ausgebreitet hat und wir das Verschwinden der Anziehungskraft merken. Oder anders gesagt: Wenn Massen sich in der Raumzeit bewegen (ganz genau: beschleunigt bewegen) verursacht das eine Ver├Ąnderung in der Kr├╝mmung der Raumzeit und die breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Es gibt also quasi Wellen im Raum selbst und genau das sind die Gravitationswellen.

Die Frage die noch bleibt ist: Wie kann man so was messen? Man kann ausrechnen, dass die Effekte winzig sind. Die Erde, die die Sonne umkreist, verursacht durch diese Bewegung Gravitationswellen. Zwei Sterne, die kollidieren, verursachen Gravitationswellen, ebenso wie ein Stern der explodiert oder zwei schwarze L├Âcher die zusammensto├čen. Wenn diese Wellen sich ausbreiten, dann sorgen sie daf├╝r - sehr vereinfacht - dass der gesamte Raum gestreckt oder gestaucht wird. Wenn so eine Gravitationswelle auf die Erde trifft, dann wird unser Planet dadurch also ein klein wenig verformt. Und man kann sich denken, dass das ein sehr winziger Effekt ist, ansonsten h├Ątten wir davon schon etwas mitbekommen, unter anderem, weil die Erde dabei kaputt gegangen w├Ąre. Tats├Ąchlich sorgen selbst extreme Ereignisse wie die Kollision zweier schwarzer L├Âcher nur f├╝r eine Verformung des Raums, die viel kleiner ist als der Durchmesser eines Atomkerns. Das zu messen ist enorm schwierig und man dachte, es w├Ąre unm├Âglich. Aber wenn man immer so schnell aufgeben w├╝rde, w├╝rde in der Wissenschaft nichts vorw├Ąrts gehen. Das mag sich in den 1950er Jahren auch der amerikanische Physiker Joseph Weber gedacht haben. Der eigentlich einmal "Jonas" hie├č; Webers Eltern sind aus Litauen nach Amerika ausgewandert und hie├čen urspr├╝nglich "Gerber", aber daraus wurde dann "Weber" und aus Jonas irgendwann "Joseph". So oder so: Joseph Weber, 1919 geboren, ging nach seiner Schulzeit auf die Marineakademie, was deutlich billiger f├╝r ihn und seine Eltern war als der Besuch einer normalen Universit├Ąt. Das f├╝hrte aber auch dazu, dass Weber, nach seinem Abschluss 1940 als Offizier auf einem amerikanischen Flugzeugtr├Ąger im zweiten Weltkrieg k├Ąmpfen musste. Sein Schiff wurde versenkt, aber Weber ├╝berlebte und kommandierte sp├Ąter selbst Schiffe. Nach dem Krieg begann er erneut zu studieren, weil er eine Stelle an einer Uni bekommen sollte, ihm daf├╝r aber noch ein Doktortitel fehlte. Er begann zu Mikrowellentechnik zu forschen, war einer der Pioniere die sich mit der Physik von Lasern besch├Ąftigte und war daf├╝r auch f├╝r den Nobelpreis nominiert. Bekommen haben diesen Preis aber Kollegen; er selbst wurde bei der Auszeichnung f├╝r die Entwicklung des Lasers ├╝bergangen.

In den 1950er Jahren begann Weber sich f├╝r die Relativit├Ątstheorie zu interessieren. Von 1955 bis 1956 war unter anderem bei John Wheeler zu Besuch, einem der wenigen Forscher, die sich damals intensiv mit der Gravitation im Rahmen von Einsteins Theorie besch├Ąfigt haben. Dort lernte Weber auch die Gravitationswellen kennen und beschloss: Die Dinger m├╝ssen nachgewiesen werden! Also begann er in den 1960er Jahren, Detektoren zu bauen, die genau das tun sollten.

Aber wie baut man einen Gravitationswellendetektor? Man kann ja nicht einfach ein Lineal irgendwo hin legen und warten, ob es k├╝rzer wird. Das m├╝sste man ja mit einem anderen Lineal messen, das aber ebenfalls k├╝rzer werden w├╝rde, wenn da eine Gravitationswellen durchsaust. Webers Idee sah so aus: Gravitationskraft wirkt auf Massen. Wir brauchen also auf jeden Fall mal ein St├╝ck Masse. In Webers Fall war das zu Beginn ein gro├čer Zylinder aus Aluminium, bis zu einem Meter im Durchmesser und bis zu zwei Meter lang. Dieser Zylinder war frei beweglich aufgeh├Ąngt. Wenn jetzt eine Gravitationswelle durch die Erde und damit auch den Zylinder l├Ąuft; der Zylinder dadurch periodisch gestaucht und gestreckt wird, dann kann er dadurch zum Schwingen angeregt werden, was er auch dann noch tut, wenn die Gravitationswelle wieder weg ist. Wenn man den Zylinder also wackeln sieht, wei├č man: Da ist ne Gravitationswelle gewesen.

In der Praxis ist das nat├╝rlich alles andere als einfach. Denn selbstverst├Ąndlich wird der Zylinder durch eine Gravitationswelle nicht anfangen, wild hin und her zu schwingen. Es geht, wie gesagt, um Schwingungen in Bereichen, die kleiner als der Durchmesser eines Atomkerns sind. Das sieht man nicht mit freiem Auge. Aber Weber installierte Piezo-Elemente am Zylinder, also Ger├Ąte, die schon auf kleinste Ver├Ąnderungen reagieren und dabei elektrischen Strom produzieren. Au├čerdem ging er sowieso nicht davon aus, jede Gravitationswelle messen zu k├Ânnen, sondern nur die, die gerade die richtige Frequenz haben, um die Eigenfrequenz des Zylinders anzuregen. Der Zylinder w├╝rde also st├Ąrker schwanken und die Messung des winzigen Effekts m├Âglich machen. Trotzdem war es immer noch eine enorme Herausforderung. Allein das thermische Rauschen war gro├č genug, um den Effekt von Gravitationswellen zu ├╝berdecken. "Thermisches Rauschen" hei├čt in dem Fall, dass die Atome des Zylinders sich allein aufgrund der Temperatur bewegen und diese Bewegung in der gleichen Gr├Â├čenordnung ist oder gr├Â├čer ist, als der Effekt der Gravitationswellen. Weber installierte daher auch nicht nur einen Detektor, sondern mehrere an unterschiedlichen Orten der USA. Wenn der Zylinder nur wegen einer ├Ąu├čeren, lokalen St├Ârung schwingt, dann w├╝rden die beiden Detektoren an den unterschiedlichen Orten das auch unterschiedlich tun. Aber wenn beide zur selben Zeit auf die selbe Weise reagieren, dann muss es ein globales Ph├Ąnomen sein, zum Beispiel eine Gravitationswelle.

Genau so einen Ausschlag sah Weber im Juni 1969 in den Daten seiner beiden 1000 km voneinander entfernten Detektoren. Und er ver├Âffentlichte eine Arbeit mit dem Titel "Hinweis auf die Entdeckung von Gravitationsstrahlung". Die Wissenschaft war aufgeregt und beeindruckt. Aber als dann andere anderswo ihre eigenen Detektoren bauten, konnte niemand Gravitationswellen damit messen. Weber meinte, die anderen Ger├Ąte w├Ąren nicht gut genug; die anderen meinten, Weber h├Ątte sich geirrt. Es gab jede Menge Diskussion und Streit. Als ein andere Wissenschaftler Weber als Scharlaten bezeichnet hat, soll Weber geantwortet haben "Ich werde ihnen gleich zeigen, wozu ein Offizier der Marine f├Ąhig ist, den man Scharlatan nennt".

Weber jedenfalls forschte weiter und ver├Âffentlichte Daten, die zeigten, dass er im Februar 1987 Gravitationswellen messen konnte. Und nicht einfach irgendwann im Februar 1987 sondern genau in dem Moment, als man auch die ber├╝hmte Supernova 1987A in der Magellanschen Wolke registriert hat. Die Teleskope der Astronomie sehen also einen explodierenden Stern und Weber misst zum gleichen Zeitpunkt eine Gravitationswelle, also genau das, was ein explodierender Stern verursacht. Aber auch hier war er der einzige, der die Welle gemessen hatte; andere Detektorne waren damals nicht in Betrieb und die Kolleginnen und Kollegen waren skeptisch.

Mittlerweile hatten andere Forscherinnen und Forscher eine andere Idee zum Nachweis der Gravitationswellen gehabt, nicht mit schwingenden Metallzylindern, sondern durch kilometerlange unterirdische Tunnel, in denen Lichtstrahlen hin und her reflektiert werden; in unterschiedliche Richtungen aber genau aufeinander abgestimmt. Sollte eine Gravitationswelle durch die Konstruktion hindurchlaufen, dann w├╝rden die Lichtstrahlen in der einen Richtung einen leicht k├╝rzeren oder l├Ąngeren Weg zur├╝ck legen m├╝ssen und das w├╝rde man dann merken. Auch hier waren die technischen Herausforderungen massiv und es hat Jahrzehnte gedauert, bis diese Gravitationswellenobservatorien einsatzbereit waren. Aber dann ist es damit im Jahr 2015 tats├Ąchlich gelungen, die Existenz von Gravitationswellen einwandrei und ohne Zweifel nachzuweisen. Joseph Weber war zu diesem Zeitpunkt aber schon tot, er starb im September 2000.

Webers Arbeit mit seinen Detektoren war umstritten, aber Weber deswegen kein Au├čenseiter. Er bekam diverse Preise; man war beeindruckt von seinen kreativen Ideen und seiner enorm exakten Ingenieursarbeit. Vor allem aber hat er daf├╝r gesorgt, dass die Forschung an Gravitationswellen von einem Randthema in der Physik zu einem popul├Ąren Arbeitsgebiet geworden ist. Und vielleicht war er ja tats├Ąchlich der erste, der sie auch nachweisen konnte. Die Astronomin Virgina Trimble, Webers zweite Ehefrau, wurde 2016 gefragt, ob sie glaube, dass ihr Mann Gravitationswellen gemessen hat. Ihre Antwort: "Ich wei├č es nicht. Aber ich glaube, wenn es zwei Technologien gegeben h├Ątte, die sich im Wettstreit zueinander vorangetrieben h├Ątten ÔÇô und nicht im Konkurrenzkampf ÔÇô dann h├Ątte man vielleicht schon fr├╝her Gravitationswellen beobachten k├Ânnen.ÔÇť. Und der Physiker Kip Thorne, einer der drei, der f├╝r den Nachweis von Gravitationswellen den Nobelpreis bekommen haben, hat ├╝ber Weber gesagt: "Joe ist in dieses Gebiet eingestiegen, als sonst niemand auf der Welt daran dachteÔÇť. Und so wichtig es auch ist, etwas zu entdecken: Es ist mindestens ebenso wichtig, bei etwas den Anfang zu machen.