Nachlese Physik-Nobelpreis

Löten für Einstein

Von Ulf von Rauchhaupt
 - 09:00
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Wie er zu den Gravitationswellen gekommen sei? Rainer Weiss winkte ab. „Das ist doch gar nicht so interessant“, sagte der Emeritus des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und legte seine Gabel schon wieder auf den kaum angerührten Teller. Dabei ist die Küche des Harnack-Hauses in Berlin nicht die schlechteste, und nach einem Vormittag voller Vorträge über Geschichte und Gegenwart der allgemeinen Relativitätstheorie, deren hundertster Jahrestag ihrer Vollendung durch Albert Einstein mit dieser Tagung im Dezember 2015 gefeiert wurde, dürfte auch Weiss hungrig gewesen sein. Doch der zu diesem Zeitpunkt 83 Jahre alte Physiker strahlte vor freudiger Erregung. „Lassen Sie uns lieber über die Quellen für Gravitationswellen sprechen.“

Am liebsten hätte er sicher über eine ganz bestimmte Quelle geredet, durfte es damals aber noch nicht: ein Paar Schwarzer Löcher, das eine 36 Mal so schwer wie die Sonne, das andere 29 Mal. Einst drehten sie sich in einer 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie umeinander, kamen sich dabei immer näher, bis sie schließlich ineinanderkrachten. Mit einer Gewalt, die das Gefüge der Raumzeit selbst erzittern ließ.

Die Erschütterungen erreichten am 14. September 2015 die Erde. Kurz zuvor waren in den amerikanischen Bundesstaaten Washington und Louisiana die beiden Ligo-Gravitationswellendetektoren in die Testphase gegangen. Beide Geräte bestehen aus jeweils zwei zueinander rechtwinklig angeordneten, vier Kilometer langen Laserstrecken, die nun von der durchlaufenden Raumzeitverformung gestaucht und gestreckt wurden. Die Längenänderung betrug nur den Bruchteil des Durchmessers eines Wasserstoffkernes, doch das System aus Lasern und Spiegeln konnte sie messen.

Damit war zum ersten Mal eine Gravitationswelle nachgewiesen worden. Verkündet wurde die Entdeckung erst am 11. Februar 2016. Im Dezember davor, zur Zeit der Berliner Tagung, lief noch die Auswertung. Vor allem wollte man sichergehen, nicht einem von Hackern eingeschleusten falschen Signal aufgesessen zu sein. Doch Rainer Weiss war damals schon anzumerken, dass er mit dem Hauptgewinn seiner Profession rechnen konnte.

Tatsächlich. Am vergangenen Dienstag wurde Rainer Weiss die Hälfte des diesjährigen Physik-Nobelpreises zugesprochen. Die andere Hälfte teilen sich Kip Thorne vom Caltech, ein Theoretiker, der zeigen konnte, dass es, wenn Einstein auch hier recht behielt, Gravitationswellen geben muss, die mit heutiger Technik nachweisbar sind, sowie Barry Barish, Mastermind und langjähriger Direktor der mehr als tausend Mitglieder starken Ligo-Kollaboration.

Ohne diese tausend hätte es für jene drei keinen Nobelpreis gegeben, was nur so lange ungerecht erscheint, wie man nicht bedenkt, dass sich Kollektive schlecht in Talkshows einladen und nach ihren Physiklehrern befragen lassen. Der Nobelpreis bezieht sein enormes Prestige und seine unvergleichliche öffentliche Aufmerksamkeit entscheidend aus der Personalisierung, auch wenn die dann nicht immer ohne Willkür zu bewerkstelligen ist.

Schon einmal war er für den Nobelpreis im Gespräch

Davon könnte auch Rainer Weiss ein Lied singen. Manche Physiker sagen, bereits an dem Nobelpreis 2006 hätte er beteiligt werden müssen, als die Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung mit schwedischem Gold bedacht wurde: Es war seine Gruppe am MIT, die 1973 das erste halbwegs vollständige Spektrum dieses Nachhalls des Urknalls aufgenommen und frühere, der Urknall-Hypothese widersprechende Daten als Fehlmessungen entlarvt hatte.

Die Antwort auf die Frage, wie Weiss zu den Gravitationswellen kam, hat damit indirekt zu tun. „Was wir da machten, lief unter ,Gravitation und Kosmologie‘“, erinnerte sich Weiss. „Deswegen glaubte man am MIT, ich verstünde etwas von Gravitation und von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, und verdonnerte mich, eine Vorlesung darüber zu halten. Dabei hatte ich von der Theorie selbst und der Mathematik, die man dafür braucht, von Tensoranalysis und Riemannscher Geometrie, kaum eine Ahnung. Aber das konnte ich denen am MIT schlecht sagen. Also musste ich den Studenten etwas erzählen, was ich selbst erst am Tag zuvor gelernt hatte.“

Wegen einer Frau flog er von der Uni

Weiss’ Aufopferung für seine Hochschule mag auch mit seiner Vergangenheit zusammenhängen. Allerdings weniger damit, dass er ein Flüchtlingskind ist. Der Sohn eines aus einer wohlhabenden deutsch-jüdischen Familie stammenden Neurologen und einer Schauspielerin wurde 1932 in Berlin geboren. Schon 1933 flieht die Familie vor den Nazis erst nach Prag, 1939 dann nach New York. Der junge Rainer, von Freunden und Kollegen stets nur Rai genannt, ist ein begnadeter Radiobastler, und noch dem Physikprofessor wird man nachsagen, dass niemand so fix mit dem Lötkolben ist wie er. Doch bis dahin ist es noch weit, als er am MIT Elektrotechnik zu studieren beginnt und bald zur Physik wechselt. Wenig später, Weiss ist gerade 20, scheint seine akademische Karriere vorbei, bevor sie begonnen hat. Er verliebt sich in eine Frau, folgt ihr nach Illinois. Aber als es der Dame zu viel wird und die Affäre in die Brüche geht, muss Weiss feststellen, dass er inzwischen auch von der Uni geflogen ist.

Ihn retten seine Begabung für Elektronik – und Jerrold Zacharias. Der MIT-Physiker und Vater der Atomuhr beschäftigt Weiss drei Jahre lang als Techniker und sorgt schließlich dafür, dass er 1955 seinen Bachelor und 1962 seinen Doktor machen kann. Später wird Weiss dem Beispiel seines Mentors folgen und einigen Studenten eine Chance geben, die das System schon aussortiert hatte. Und dem MIT wird er immer treu bleiben, auch wenn es ihn, der am liebsten an Hardware herumschraubt, zur Beschäftigung mit Tensoranalysis nötigte. Aber ohne diese Fron wären die Physiker wahrscheinlich heute noch ohne Gravitationswellen und Weiss ohne Nobelpreis.

„Die Sache war nämlich die“, erzählte Weiss schließlich, „dass die Studenten von mir was über Webers Gravitationswellen-Ergebnisse hören wollten.“ Joseph Weber von der University of Maryland war der Erste, der versuchte, Einsteins Raumzeitschwingungen zu messen. Seit 1960 setzte Weber dazu große Aluminiumzylinder ein, von denen er glaubte, sie könnten durch hindurchgehende Gravitationswellen aus dem All zu messbaren Eigenschwingungen angeregt werden. Ende der 1960er Jahre, gerade als Weiss seine Vorlesung zu halten hatte, verkündete Weber erste Erfolge.

„Das war das Thema des Tages“, erinnerte sich Weiss in Berlin. „Mir leuchtete Webers Ansatz hinten und vorne nicht ein. Doch wie das den Studenten erklären? Da dachte ich mir, betrachten wir ein simples Gedankenexperiment: eine Anordnung von Massen, die im Weltraum schweben und deren Abstand untereinander wir messen, indem wir Licht von einer zur anderen schicken und die Zeit bestimmen.“ Wie diese Abstände sich beim Durchgang einer Gravitationswelle ändern, ließ sich ausrechnen, und Weiss stellte dies seinen Studenten als Übungsaufgabe. „Damals war ich zu beschäftigt mit der kosmischen Hintergrundstrahlung. Aber ein oder zwei Sommer später dachte ich genauer darüber nach, und mir kam der Gedanke: Daraus könnte man ein richtiges Experiment machen.“

Aus Lehre wird Forschung

Aus den schwebenden Massen wurden Spiegel eines sogenannten Interferometers: Dort werden Laserstrahlen aus zwei senkrecht aufeinander stehenden Strecken so überlagert, dass sich ihre Lichtwellen genau auslöschen. Läuft nun eine Gravitationswelle hindurch, verlängert sie die eine Strecke, während die andere sich verkürzt. Die Auslöschung ist nicht mehr perfekt, und ein geeignet plazierter Detektor misst ein Signal. Weiss baute ein Modell-Experiment und berechnete alle erdenklichen Störeinflüsse. Dabei erkannte er etwas Entscheidendes: Das Rauschen wächst nicht, wenn man die Laserstrecken verlängert, aber die Empfindlichkeit für Gravitationswellen sollte proportional zur Streckenlänge zunehmen. Die Methode erschien also praktikabel, sofern das Interferometer nur groß genug ist. Eine Lehrverpflichtung hatte eine Forschungsidee geboren – wenn Humboldt das noch erlebt hätte!

Beim nächsten Schritt kam Weiss ein anderes, in Deutschland hochgehaltenes Ideal zugute: die Freiheit eines Forschers der Max-Planck-Gesellschaft. Für weitere Experiment brauchte Weiss Fördergelder, also schrieb er einen Antrag an die amerikanische National Science Foundation (NSF), und die schickte diesen zur Begutachtung an verschiedene Gruppen, die mit Weber-Zylindern gearbeitet hatten. „Darunter waren die Gruppe in Glasgow“, erklärte Weiss, „und die von Heinz Billing am Max-Planck-Institut in Garching. Billing hatte die besten Zylinderdaten. Seine Ergebnisse waren es vor allem, die Webers Behauptungen killten.“

Ohne die Garchinger wäre Weiss nicht weit gekommen

Stattdessen setzte man in Garching ebenso wie in Glasgow fortan auf Weiss’ Interferometer. Und weil Billing als Max-Plancker nicht erst lange Drittmittel einzuwerben brauchte, baute er kurzerhand das Experiment. Erst eines mit drei Meter Streckenlänge, dann eines mit dreißig. „Die hatten erstklassige Leute“, sagte Weiss. „Sie zeigten, dass das Rauschen tatsächlich nicht mit der Länge zunimmt.“ Und das sei ganz entscheidend dafür gewesen, dass die NSF später das finanzierte, was schließlich Ligo wurde. „Aber die Schotten in Glasgow trugen auch wichtige Ideen bei, Ligo ist eben ein Gruppending.“

Das ist bis heute so. Die aktuell 1167 Mitglieder der Kollaboration kommen aus 103 Institutionen in 18 Nationen. Deutschland ist ein Schwergewicht mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, wo unter Heinz Billings Nachfolger Karsten Danzmann wichtige Komponenten wie die Laser entwickelt und an dem 600-Meter-Interferometer GEO-600 bei Hannover getestet wurden. Teile der Datenanalyse für Ligo werden unter Danzmanns Kollege Bruce Allen geleistet, und mit Alessandra Buonanno verfügt das Institut über eine führende Theoretikerin, die es versteht, aus den Interferometersignalen auf die Natur der Quellen zu schließen. Nach dem ersten Ereignis 2015 wurden bislang noch drei weitere Wellen registriert. Alle vier kommen von kollidierenden Schwarzen Löchern, was die Physiker mindestens so überrascht wie erfreut, da das paarweise Auftreten Schwarzer Löcher zuvor nicht beobachtet worden war. „Paare Schwarzer Löcher sind am interessantesten“, sagte Weiss schon in Berlin. „Das sind komplett relativistische Objekte, völlig bestimmt durch Einsteins Theorie. Diese wird dadurch maximal ausgetestet.“

Als erste Gravitationswelle wurde eigentlich eine erwartet, die von ineinanderkrachenden Neutronensternen herrührt. Hier würde die Welle etwas über die gegenseitige Verformung der Sterne verraten und damit Informationen über die Physik der Neutronmaterie. Für den 16. Oktober ist die Publikation eines weiteren Ergebnisses der Ligo-Detektoren angekündigt, zu denen mit Virgo in Italien kürzlich ein drittes Gerät hinzustieß. Auf der Pressekonferenz des MIT vergangenen Dienstag deutete Weiss an, dass es sich um die erste Welle eines Neutronenstern-Duos handelt. Das konnte er nicht für sich behalten. Dieses Mal nicht.

Quelle: F.A.S.
Autorenporträt / Rauchhaupt, Ulf von (UvR)
Ulf von Rauchhaupt
verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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