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Wenn massereiche Objekte wie zwei Schwarze Löcher einander umkreisen, entstehen dabei Streckungen und Stauchungen von Raum und Zeit – die Gravitationswellen.
Illustration: Picturedesk / Science Photo Library

Im Februar 2016 war die erstmalige Messung von Gravitationswellen eine wissenschaftliche Sensation. Inzwischen zählt die Detektion der wellenförmigen Stauchung der Struktur von Raum und Zeit zur wöchentlichen Routine. Gravitationswellen entstehen etwa, wenn sich massive Objekte wie Schwarze Löcher umkreisen. Sie geben uns Informationen über das Universum, die mit Lichtbeobachtungen nicht verfügbar wären. Der US-Physiker Barry Barish war zentral an der jahrelangen Jagd nach Gravitationswellen am Gravitationswellenobservatorium Ligo beteiligt und wurde dafür 2017 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet.

Der erste Nachweis von Gravitationswellen gelang im Herbst 2015, im Februar 2016 wurden die Resultate publiziert. Es war fast genau 100 Jahre, nachdem Albert Einstein Gravitationswellen erstmals vorhergesagt hatte. Doch deren Nachweis war keineswegs geradlinig: Einstein selbst änderte seine Meinung darüber, ob es nun Gravitationswellen gibt oder nicht, mehrfach im Laufe seines Lebens. Schließlich kam er zur Conclusio: Ja, es gibt sie doch! Nachsatz: Sie sind aber sicherlich viel zu klein, um jemals gemessen zu werden.

Erste Behauptungen einer erfolgreichen Messung stellten sich als Irrtum heraus. Umso sensationeller war 2016 die Nachricht, dass die Detektion von Gravitationswellen nun tatsächlich gelungen ist. Neben dem US-Vorreiter Ligo läuft inzwischen auch der italienische Gravitationswellendetektor Virgo. Erste Entdeckungen des japanischen Gravitationswellendetektors Kagra werden demnächst erwartet.

Der US-Physiker Barry Barish wurde 2017 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.
Foto: Reuters / Patrick Fallon

STANDARD: Wollten Sie schon als Kind einmal Physiker werden und Gravitationswellen jagen?

Barish: Als ich 15 Jahre alt war, war mein Lebenstraum nicht, Wissenschafter zu werden. Mein Traum war es, einmal einen großartigen Roman zu schreiben.

STANDARD: Haben Sie ihn je geschrieben?

Barish: Nein, ich habe nie damit begonnen.

STANDARD: Und warum?

Barish: Ich komme aus einer bildungsfernen Familie, niemand hat vor mir an einer Universität studiert. Mit zehn Jahren habe ich alles gelesen, was ich in die Finger bekam. Ich habe Geschichten immer schon geliebt, was sicher auch damit zu tun hat, dass ich in Südkalifornien in der Nähe von Hollywood aufgewachsen bin. Die wirklich große Literatur entdeckte ich, als ich etwa 13 Jahre alt war. Zu dieser Zeit hat sich auch mein Wunsch entwickelt, Schriftsteller zu werden. Doch in der Highschool hatte ich dann meinen ersten seriösen Literaturunterricht. Und die Lehrerin hat mein Interesse, Schriftsteller zu werden, zerstört.

STANDARD: Wie ist das passiert?

Barish: Ich dramatisiere natürlich ein bisschen, weil ich es liebe, Geschichten zu erzählen, aber es steckt schon ein wahrer Kern darin. Die Lehrerin gab uns einen Roman zu lesen, den man wohl keinem 15-Jährigen zu lesen geben sollte, wenn er nicht außergewöhnlich entwickelt ist. Ich habe diesen Roman gelesen und mir gedacht: "Das ist einfach furchtbar! Wenn das große Literatur sein soll, dann mache ich lieber etwas anderes." Ich habe den Roman mit 30 Jahren noch einmal gelesen und ihn geliebt, weil ich dann verstand, dass es eine gigantische Metapher ist. Aber als 15-Jähriger hatte ich keine Ahnung davon, was eine Metapher ist. So hat mich der Roman davon abgebracht, Schriftsteller zu werden.

STANDARD: Welcher Roman war es nun?

Barish: "Moby Dick" – das ist der Grund, warum ich Physiker geworden bin.

STANDARD: Von der Literatur zu Gravitationswellen scheint es ein weiter Weg – wie ist es dazu gekommen?

Barish: Ich machte mein Doktorat in Berkeley, wo damals einige neue Teilchen entdeckt worden sind. Einer meiner Betreuer war Owen Chamberlain, der für die Entdeckung des Antiprotons mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet worden ist. Der Duft von Entdeckungen – das war es, was mich in der Physik angezogen hat. Dass es Gravitationswellen gibt, war damals weitgehend anerkannt, doch man dachte, dass sie zu klein sind, um gemessen zu werden. Das Feld hatte einen schlechten Ruf wegen der Arbeiten von Joseph Weber. Es war eine traurige Geschichte: Weber war so ein fantastischer Techniker und so ein furchtbarer Wissenschafter. Er war so bestrebt, Gravitationswellen zu finden, dass er nicht kritisch genug gegenüber seinen Resultaten war. Er behauptete, welche gefunden zu haben, doch das stellte sich als falsch heraus. Später wurde klar, dass es andere Methoden gibt, nach Gravitationswellen zu suchen, und es kamen neue technische Möglichkeiten auf, die genauer waren. Für mich sah es um 1990 so aus, dass nichts Fundamentales mehr im Weg stand, Gravitationswellen nachzuweisen. Daher entschied ich mich, in diesem Feld zu arbeiten. Ich schrieb mit Kollegen einen Antrag, der 1994 gefördert wurde. Ich dachte, es würde zehn Jahre dauern, bis wir Gravitationswellen messen. Doch es hat letztlich 21 Jahre gedauert. Inzwischen messen wir ein Event pro Woche.

Diese Luftaufnahme zeigt den Ligo-Detektor bei Hanford, Washington.
Foto: Ligo Laboratory

STANDARD: Es ist mittlerweile auch gelungen, Gravitationswellen, elektromagnetische Wellen und Neutrinos von demselben Ereignis aufzuspüren. Was kann von dieser sogenannten Multi-Messenger-Astronomie in Zukunft erwartet werden?

Barish: In der Physik haben wir ein enormes Problem: Wir haben zwei große Theorien – die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie – und können sie nicht vereinheitlichen. Wir müssen also einen Weg finden, diese beiden Theorien zusammenzuführen. Theoretisch haben wir das seit Jahrzehnten versucht, doch der große Durchbruch ist dabei nicht gelungen. Ich denke daher, dass wir empirische Hinweise und Daten brauchen. Gravitationswellen sind dafür eine attraktive Möglichkeit. Man könnte sie dafür nutzen, um die ersten Momente des Universums nach dem Urknall zu beobachten. Das frühe Universum war zu dicht, um es mit elektromagnetischen Wellen zu vermessen. Über alles, was in den ersten 400.000 Jahren nach dem Urknall geschehen ist, können wir derzeit nur mutmaßen. Dabei stoßen wir auf ein großes Problem: Wir wissen nicht, warum wir existieren. Denn das Faktum, dass wir in einem Universum leben, das von Materie dominiert wird, steht in Widerspruch dazu, dass wir in Teilchenbeschleunigern Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen erzeugen. Gravitationswellen könnten also das Werkzeug sein, um die Relativitätstheorie und die Quantenphysik zusammenzuführen und die ersten Momente nach dem Urknall zu verstehen.

STANDARD: Bisher ist eine Multi-Messenger-Messung mit elektromagnetischen Wellen, Gravitationswellen und Neutrinos gelungen – von der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Was konnte man daraus lernen?

Barish: Ein Signal ist natürlich noch nicht genug, aber wir haben nun Hinweise dar auf, wie sich die schweren Elemente gebildet haben könnten. Es ist bislang nicht ganz klar, wie und wann Elemente wie Gold und Platin, die wir auf der Erde vorfinden, entstanden sind. Denn fast das gesamte Universum besteht aus Wasserstoff und Helium – mit Ausnahme der Sterne. Wie erklären wir das also? Wir Physiker denken uns in solchen Fällen immer: "Wenn wir die Antwort nicht kennen, dann erfinden wir eben eine." Denn unser Job ist es, die Natur so gut wie möglich zu beschreiben. Wir denken uns also eine Geschichte aus, die vielleicht wahr sein könnte. Wir wissen, dass Sterne durch Kernfusion verbrennen. Und wir Physiker haben einen Prozess erfunden – den sogenannten r-Prozess –, bei dem durch einen Neutronenfluss schwere Elemente wie Gold oder Platin entstehen. Ich finde allerdings, dass diese Geschichte nicht sehr überzeugend ist. Doch mir wurde immer gesagt, das sei die beste Erklärung für die Entstehung schwerer Elemente, die wir haben. Mit den neuen Entdeckungen mit Gravitationswellen haben wir Hinweise bekommen, mit denen wir möglicherweise eine noch konsistentere Geschichte erzählen können, wie die schweren Elemente, die wir auf der Erde finden, ursprünglich entstanden sind.

Nobelpreisrede von Barry Barish im Dezember 2017. Video: Nobel Prize
Nobel Prize

STANDARD: Um die Bedeutung der Multi-Messenger-Astronomie anschaulich zu machen, ist die Metapher verwendet worden, dass man sie sich so vorstellen kann, wie das Universum zu sehen (elektromagnetische Wellen), zu hören (Gravitationswellen) und zu schmecken (kosmische Teilchen). Halten Sie diese Analogie für hilfreich oder irreführend, um einem allgemeinen Publikum zu vermitteln, was bei der Multi-Messenger-Astronomie vor sich geht?

Barish: Das ist eine wirklich gute Frage. Meiner Meinung nach ist das so wie bei Moby Dick: Wenn den Menschen Metaphern angeboten werden und nicht klar ist, dass es nur Metaphern sind, die nicht wörtlich genommen werden dürfen, ist es irreführend. Es ist sehr wichtig zu betonen, dass wir bei Gravitationswellen nichts hören – die Gravitationswellen liegen nur zufällig im gleichen Frequenzbereich wie akustische Wellen. Wenn das Publikum versteht, dass es sich um eine Metapher handelt, dann kann das sehr schön und hilfreich sein. Für mich selbst gilt: Ich liebe Metaphern – seit ich alt genug bin, sie zu verstehen. (Tanja Traxler, 30.12.2019)