«Wir haben nicht gross über Graviationswellen nachgedacht»

Wie das wahnsinnige Projekt ohne Erfolgsaussichten des neuen Physik-Nobelpreisträgers Rainer Weiss und seinen Kollegen letztlich zur Entdeckung des Jahrhunderts wurde.

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Manchmal ist es ein einziger Augenblick, der im Nachhinein alles rechtfertigt; die jahrzehntelange Arbeit, das viele Geld, die Hoffnungen entgegen aller Vernunft. Rainer Weiss, der fast sein ganzes Leben zwei riesigen Maschinen gewidmet hat, hat diesen Moment verpasst. Als das Schwingen der Raumzeit seine beiden kilometerlangen Detektoren in den USA erstmals erzittern liess, war er erstens im US-Bundesstaat Maine in den Ferien und zweitens am 14. September 2015 um 5.51 Uhr Ortszeit noch nicht auf den ­Beinen. Aber das macht nichts – Hauptsache, es ist passiert.

Nach dem Aufstehen schaute Weiss wie üblich online in die Messprotokolle der Detektoren in Washington und Louisiana, und wunderte sich. Das System hatte einen automatischen Alarm verschickt. Ein Signal war eingegangen, eigentlich zu perfekt, um wahr zu sein. In Deutschland war es da schon Vormittag, die Forscher im weltweiten Netzwerk, die von dort aus die US-Detektoren überwachen, waren dabei, der Sache nachzugehen. Was zum Teufel war da los?

«Ich dachte sofort: Das hat jemand injiziert», sagt Weiss am Telefon, an seinem 85. Geburtstag, den er wie üblich im Büro verbringt; er hat es nicht so mit Geburtstagen. Ein Pseudosignal also, absichtlich von einem Team gefälscht, um die Datenauswertung zu testen. Aber die Detektoren waren nach einem grossen Update eben erst wieder gestartet worden, das System für solche Injektionen war noch gar nicht in Betrieb. Vielleicht hatte ein Hacker die Daten manipuliert? Der hätte sich jedoch besser auskennen müssen als alle Experten zusammen.

Infografik: So wurden die Gravitationswellen gemessen Grafik vergrössern

Irgendwann war klar, dass nichts mehr sein würde wie zuvor. Sie hatten Gravitationswellen aufgefangen, die Schwingungen der Raumzeit, nach denen Forscher jahrzehntelang gesucht hatten, ausgelöst durch den Zusammenstoss zweier schwarzer Löcher. Falls es Zweifel gab, so wurden sie spätestens mit den folgenden Messungen zerstreut – viermal haben die Detektoren inzwischen den Nachhall solcher Kollisionen registriert. Das Zeitalter der Gravitationswellen-­Astronomie hat begonnen.

Dass Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish gestern Dienstag für diese Leistung den Nobelpreis zuerkannt bekamen, ist im Vergleich zu der Erleichterung, die diese Entdeckung mit sich brachte, eigentlich nur eine Formsache. Fast kommt der Preis für Weiss etwas ungelegen. «Natürlich wäre es toll, einen Nobelpreis zu bekommen», sagte er wenige Tage vor der Entscheidung. Wobei er darauf besteht, dass so ein Preis nur ein Symbol sei, eine Anerkennung für die mehr als tausend Forscher, die an der Entdeckung gearbeitet haben.

Familie floh vor den Nazis

Unter all den unwahrscheinlichen Geschichten, die in grosse wissenschaftliche Entdeckungen münden, ist die von Rainer Weiss besonders seltsam. Geboren wurde er 1932 in Berlin als Sohn eines kommunistischen Juden und einer Schauspielerin. Die Familie floh vor den Nazis erst nach Prag, später nach New York. Dort wuchs Weiss auf, ein schlauer Teenager mit einer Leidenschaft für klassische Musik und Elektronikbasteleien. Aber im Studium am MIT bei Boston langweilte ihn die Elektrotechnik; stattdessen wechselte er in die Physik. Im dritten Jahr verliebte er sich – «verrückt, komplett gaga», wie er später sagte – in eine Pianistin, schmiss das Studium und folgte ihr nach Chicago.

Aus der Liebesgeschichte wurde nichts, aber mit dem Studium war es vorerst vorbei. Weiss kam zurück zum MIT und fing als Labortechniker an. Schliesslich liess man ihn einen Studienabschluss und eine Doktorarbeit machen, er wurde später sogar Professor am MIT. In den Sechzigerjahren sollte er dort eine Vorlesung über die allgemeine Relativitätstheorie halten, Einsteins Theorie der Schwerkraft. Und irgendwann waren Gravitationswellen dran.

Über diese Schwingungen der Raumzeit hat Albert Einstein immer wieder nachgedacht. 1916 sagte er ihre Existenz voraus. Denn Massen krümmen die Raumzeit, so funktioniert die Schwerkraft. Werden Körper auf eine bestimmte Weise beschleunigt, so wie die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne oder zwei Sterne, die umeinander kreisen, pflanzt sich diese Verformung als eine Schwingung von Raum und Zeit fort, so wie Wellen, die ein Stein auslöst, der ins Wasser fällt. Das jedenfalls sagen die Gleichungen. Aber ist der Effekt real?

Zur Übung gab Weiss seinen Studenten ein Problem: Was passiert, wenn man Laserlicht zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert, und eine Gravitationswelle kommt vorbei? Schickt man das Licht mit Spiegeln gleichzeitig auf zwei zueinander senkrecht stehenden Wegen auf die Reise und führt die Strahlen in der Mitte wieder zusammen, sollte sich so eine Welle bemerkbar machen: Die eine Strecke wird gedehnt, die andere gestaucht. Das bringt die Strahlen aus dem Takt – was ein sogenanntes Interferenzmuster entstehen lässt, wenn sie wieder aufeinandertreffen. Der Gravitations­wellen-Interferometer war erfunden.

Graviationswelle seit 1,3 Milliarden Jahren unterwegs

Eigentlich war es lächerlich anzunehmen, dass man so etwas je würde messen können. Eine heftige Gravitationswelle verändert die Distanz zwischen der Sonne und dem nächsten Nachbarstern Alpha Centauri nur um Haaresbreite. Selbst wenn man so präzise arbeiten könnte, musste es im Kosmos schon gewaltig krachen, sonst wären die Wellen zu schwach. Wie viele solcher Kollisionen es da draussen gibt, war damals völlig unklar.

Man konnte ja nicht ahnen, dass da schon seit 1,3 Milliarden Jahren eine Gravitationswelle durchs All unterwegs war, ausgelöst durch den Zusammenprall zweier riesiger schwarzer Löcher. Eine Welle, die an jenem 14. September 2015 die Erde erreichen würde. Aber Rainer Weiss war schon immer ein Bastler, also schraubte er mit seinen Studenten kurzerhand einen Prototyp zusammen, zwei Arme in L-Form, anderthalb Meter Kantenlänge. Ein Witz, im Vergleich zum Weg zu Alpha Centauri? Ein Anfang. Aber dann war das Geld alle. 1973 schrieb Weiss einen Forschungsantrag für die weitere Suche nach Gravitationswellen an die National Science Foundation (NSF), den ersten seines Lebens.

Der NSF konnte sich nicht entscheiden, der Ausgang des Projektes schien ungewiss. Aber der Vorschlag erreichte den deutschen Physiker Heinz Billing, der am Max-Planck-Institut Geld übrig hatte. In München baute er den nächsten Prototyp, drei Meter Kantenlänge. Wieder ein Witz, aber es ging weiter. Und 1975 traf Weiss Kip Thorne vom California Institute of Technology, der damals selbst für einen theoretischen Physiker recht seltsam aussah, mit seinen langen Haaren und dem struppigen Bart. Die beiden wurden nicht nur Freunde, sondern beschlossen auch, zusammen das ganz grosse Gravitationswellen-Ding zu drehen. Mit gutem Grund wurde auch er jetzt von der Schwedischen Akademie ausgezeichnet.

Upgrade brachte Präzision

Es war der Beginn einer Geschichte, die die US-Autorin und Physikerin Janna Levin meisterhaft in ihrem Buch «Black Hole Blues» erzählt: wie Weiss und Thorne den Schotten Ron Drever an Bord holten, so brillant als Experimentalphysiker, wie er als Mensch kompliziert war. Wie sie schliesslich vom NSF Hunderte Millionen Dollar für zwei riesige Detektoren mit vier Kilometern Armlänge auftrieben, für das Projekt namens Ligo – Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory. Wäre Drever nicht im vergangenen März gestorben, hätte wohl auch er den Nobelpreis erhalten müssen. Stattdessen wird nun – ähnlich verdient – Barry Barish ausgezeichnet, der bislang wenig vom Gravitationswellen-Ruhm abbekommen hat. Als er das Ligo-Projekt 1994 als Forschungsmanager übernahm, war es dabei, in Chaos und Bürokratie zu versinken. Barish lenkte es in geordnete Bahnen und sorgte dafür, dass die Detektoren um die Jahrtausendwende endlich fertig wurden. Aber erst das Upgrade im Jahr 2015 brachte die nötige Präzision.

Im Nachhinein fragt man sich, wie jemand ein so irres Projekt so lange durchhalten kann, gegen alle Widerstände. Das ganze Feld der Gravitationswellen-Forschung hatte einen miesen Ruf, seit Joseph Weber von der University of Maryland in den 60er- und 70er-Jahren behauptet hatte, mit Aluminiumzylindern solche Wellen gemessen zu haben. Zu Unrecht, wie sich herausstellte. Viele hielten das Ligo-Konzept für hoffnungslos, andere fanden es einfach zu teuer. Die Technik war unfassbar kompliziert, die fertigen Detektoren wurden von Mäusen, Schlangen und Spinnen heimgesucht. Beinahe wäre alles vorbei gewesen, als ein Pick-up-Truck in einen Detektorarm krachte. Und all das mit so bescheidenen Erfolgsaussichten?

Aber so hat Rainer Weiss das nie gesehen. «Wir haben nicht gross über Gravitationswellen nachgedacht», sagt er. «Die Technik war faszinierend, wir hatten Spass dabei, sie zum Funktionieren zu bringen. Ein bisschen wie Kinder in einem grossen Sandkasten.» Dass es machbar ist, daran hat er nie gezweifelt. Andere schon. Bis zu jenem Augenblick im September 2015, der Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorpe, als Nebenprodukt, nun den Nobelpreis beschert.

Erstellt: 03.10.2017, 19:21 Uhr

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Die Entdeckung des Jahrhunderts

Nein, erstaunt war Philippe Jetzer nicht über die Entscheidung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften. «Es wäre allenfalls eine Überraschung gewesen, wenn die Entdeckung der Gravitationswellen nicht ausgezeichnet worden wäre», sagt der Physiker von der Universität Zürich. Der mit rund einer Million Franken dotierte Preis geht zur Hälfte an Rainer Weiss vom Massachusetts Institute of Technology und zu je einem Viertel an Kip Thorne und Barry Barish, beide vom California Institute of Technology.
Gravitationswellen sind winzige Erschütterungen von Raum und Zeit, die Albert Einstein bereits 1916 im Rahmen seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte. Diese Wellen entstehen, wenn sich massive Objekte bewegen. Man kann sie sich wie jene Wellen vorstellen, die auf einer ruhigen Wasseroberfläche entstehen, wenn man einen Stein hineinwirft. Nur schwingt statt der Wasseroberfläche die Raumzeit.
Die Entdeckung der Gravitationswellen gilt als Jahrhundertereignis. Forscher hatten am 14. September 2015 erstmals Erschütterungen von Raum und Zeit beobachtet, wie sie bei der Fusion von schwarzen Löchern entstehen. Die nun geehrten Forscher der Ligo/Virgo-Kollaboration legten die Grundlage für diesen Erfolg.
Auch in der Schweiz wird zu Gravitationswellen geforscht. Neben dem Team um Jetzer sind das insbesondere Forscher um Domenico Giardini von der ETH Zürich. Beide Teams sind an der Entwicklung der Laser Interferometer Space Antenna (Lisa) der Europäischen Weltraumorganisation beteiligt. Lisa soll vom Weltall aus nach jenen Gravitationswellen suchen, die sich von der Erde aus nicht beobachten lassen. Giardini ist massgeblich in die Entwicklung der Lisa-Detektoren involviert. Die Gruppe um Jetzer berechnet die Form der erwarteten Gravitationswellen. Der Start von Lisa ist derzeit für das Jahr 2034 vorgesehen. (TA)

Rainer Weiss

US-Amerikaner, geboren 1932 in Berlin. Emeritierter Professor am Massachusetts Institute of Technology. Erfinder der Methode, mit der nach Gravitationswellen gesucht wird.

Barry C. Barish

Geboren 1936 in Omaha, Nebraska, USA. Forschte ab 1966 am California Institute of Technology. Von 1997 bis 2005 Direktor der Gravitationswellen-Observatorien Ligo.

Kip S. Thorne

Geboren 1940 in Logan. US-Amerikaner, Forscher am California Institute of Technology. Entwickelte mit Rainer Weiss die Techniken zur Detektion von Gravitationswellen.

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