Gesundheit: Einsteins strengste Prüfer

„Die Materie sagt dem Raum, wie er sich krümmen soll, der Raum sagt der Materie, wie sie sich bewegen soll.“ (John A. Wheeler)

Spannen wir zunächst die Bühne auf: der Kosmos als großes, gespanntes Bettlaken. Über das Tuch rollt unsere Erde. Die kleine Erdkugel erzeugt eine Mulde in dem Laken, und diese Einbuchtung wandert mit ihr über das Tuch. Kommt nun eine zweite, viel kleinere Kugel daher, so spürt sie die Krümmung des Lakens, wird von ihrer Bahn abgelenkt und bewegt sich auf die Erdkugel zu. Kurzum: Himmelskörper wie unsere Erde krümmen den Raum, und der gekrümmte Raum verändert die Bewegung aller Objekte. So die Vorstellung Albert Einsteins.

Nun soll Einsteins Theorie wieder auf den Prüfstand gestellt werden. Mit den perfektesten kleinen Kugeln, die je hergestellt wurden. Die Quarzkugeln von der Größe eines Tischtennisballs werden am Montag mit dem Satelliten „Gravity Probe B“ in eine Erdumlaufbahn gebracht. Und dort draußen soll sich zeigen, wie die Erde das große Betttuch, das vierdimensionale Raum-Zeit-Gewebe, krümmt und mitreißt.

Die Kugeln werden dazu in eine kreiselnde Bewegung versetzt. Mit Hilfe dieser Kreisel wollen amerikanische Physiker Einsteins Relativitätstheorie mit bislang unerreichter Präzision überprüfen. Winzige Störungen der Kreiselbewegungen sollen den Forschern Aufschluss über die von der Relativitätstheorie vorhergesagte Verzerrung der Raumzeit durch das Schwerefeld der Erde liefern.

„Gravity Probe B hat das Potenzial, fundamentale Eigenschaften des unsichtbaren Universums aufzudecken, eines Universums, das uns im Vergleich zu unseren Alltagserfahrungen fremdartig und bizarr vorkommt“, sagt Anne Kinney, Forscherin bei der amerikanischen Weltraumbehörde Nasa. Jede Abweichung von den Vorhersagen der Relativitätstheorie, auf die der Satellit stößt, wäre eine Sensation – und ein Schritt hin in Richtung auf die lange gesuchte „Vereinheitlichte Theorie“. Unter deren Dach sollen sich dereinst alle bekannten Naturkräfte, und damit auch die Relativitätstheorie und die Quantenphysik, endlich vereinigen lassen.

Nach den klassischen Gesetzen der Mechanik behält ein Kreisel seine Rotationsachse bei, solange keine Kräfte von außen auf ihn wirken. So zum Beispiel in der Schwerelosigkeit des Weltalls. Gerade deshalb werden schnell rotierende Kreisel (Gyroskope) häufig zur Stabilisierung und Lagekontrolle von Satelliten verwendet.

In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie zeigte Albert Einstein jedoch, dass sich die Schwerkraft als eine Krümmung des Raums verstehen lässt – und dies hat Konsequenzen für die Kreiselbewegung. Die Raumkrümmung durch das irdische Schwerefeld nämlich führt zu einer langsamen Torkelbewegung der Kreiselachse. Sie ist allerdings gering. Für die Gyroskope an Bord des Satelliten beträgt sie in einem Jahr gerade einmal 6,6 Bogensekunden. Eine Bogensekunde ist der 3600ste Teil eines einzigen Winkelgrads.

Für die Physiker noch wichtiger, zugleich aber auch noch kleiner, ist ein weiterer Effekt, der „Thirring-Lense-Effekt“. Das irdische Schwerefeld zerrt durch seine Rotation den umgebenden Raum gewissermaßen geringfügig mit. Die Folge für die Kreisel an Bord des Satelliten ist eine Verschiebung um gerade einmal 40,9 Milli-Bogensekunden pro Jahr, sprich: Würde man über eine Strecke von 100 Kilometern eine Steigung mit diesem Winkel bergauf fahren, man würde gerade einmal einen Höhenunterschied von anderthalb Zentimetern erklimmen!

Nahezu vollkommene Quarzkugeln

Um derart minimale Bewegungen nachzuweisen, müssen die Gyroskope an Bord des Satelliten „Gravity Probe B“ extrem genau und völlig störungsfrei gelagert sein. Die tischtennisballgroßen Kreisel sind nahezu vollkommene Kugeln aus reinstem Quarz. Im Vakuum werden sie von elektrischen Feldern festgehalten und rotieren in einer frostigen, mit flüssigem Helium gekühlten Kammer. „In der größten Thermosflasche der Welt“, sagt Anne Kinney. Die Abweichung von der perfekten Kugelform beträgt weniger als ein Hunderttausendstel Millimeter.

Ein Spezialteleskop an Bord des Satelliten überprüft die Rotationsrichtung der Kreisel ständig. Die Kreiselachsen sind exakt auf den Referenzstern HR 8703 im Sternbild Pegasus ausgerichtet. Um diese Richtung ablesen zu können, haben die Physiker die Kugeln präpariert: Sie haben sie mit einer hauchdünnen Schicht des supraleitenden Materials Niobium beschichtet. Die elektrischen Ströme in diesem Material erzeugen ein von außen messbares Magnetfeld, anhand dessen sich dann die Rotationsrichtung der Quarzkugeln präzise angeben lässt.

Die Messungen sind so genau, dass bei der Auswertung sogar die minimalen Positionsverschiebungen des Sterns durch seine Eigenbewegung sowie durch die Bewegung von Sonne, Erde und Satellit berücksichtigt werden müssen. Deshalb beobachten der Astronom Irwin Shapiro vom Center for Astrophysics in Cambridge in Massachusetts und sein Team den Stern seit sieben Jahren mit Radioteleskopen. Diese Messungen müssen während der gesamten, 16 Monate dauernden Satelliten-Mission fortgesetzt werden.

Unter einem guten Stern

Erst wenn nach Ende der Mission alle Daten sowohl von dem Satelliten als auch von den Messungen auf der Erde vorliegen, wird eine endgültige Auswertung möglich sein. Und auch eine Aussage darüber, ob Einstein mit seinen Vorhersagen Recht hatte.

„Unser ganzes kosmologisches Verständnis basiert darauf, dass die Allgemeine Relativitätstheorie korrekt ist“, sagt der Physiker Robert Reasenberg, ebenfalls vom Center for Astrophysics, zur Bedeutung der Messungen. „Wenn wir feststellen, dass es einen fundamentalen Fehler in dieser Theorie gibt, dann hat das enorme Auswirkungen auf unsere Beschreibung des Kosmos und seiner Geschichte. Eine winzige Abweichung in einer lokalen Messung kann unser Verständnis des ganzen Universums beeinflussen.“

Bislang hat die Relativitätstheorie freilich alle Tests mit Bravour bestanden. So beweist etwa die Ablenkung von Lichtstrahlen im Schwerefeld der Sonne die von Einstein vorhergesagte Krümmung des Raumes. Eine experimentelle Überprüfung des jetzt in Augenschein genommenen Phänomens, das Mitzerren des Raumes durch die Rotation eines Körpers, gibt es bislang jedoch nicht.

Deshalb sind die Physiker auf die Messung dieses Effekts besonders gespannt. Zudem sind bei diesem Phänomen am ehesten Abweichungen durch ein der Relativitätstheorie möglicherweise übergeordnetes Naturgesetz zu erwarten, welches sowohl die Schwerkraft als auch die Quantenphänomene beschreibt.