Gesundheit: Einsteins verdrehte Welt

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hat bisher jeden Test bestanden. Auch wenn wir uns an ihre Konsequenzen nur langsam und schwerfällig gewöhnen – sie werden immer wieder trefflich bestätigt. Jetzt haben italienische und amerikanische Wissenschaftler anhand von gut und gerne 100 Millionen Laserbeobachtungen mit bislang unerreichter Präzision nachgewiesen, dass die Erde bei ihrer Rotation den sie umgebenden Raum und die Zeit mit sich zieht wie zähen Honig.

Die Messungen von Ignazio Ciufolini von der Universität Lecce und Erricos Pavlis von der Universität von Maryland in Baltimore sind ein Beleg für einen bereits 1918 vorhergesagten, aber bislang unbestätigten relativistischen Effekt. Zwar enthalten die Daten noch gewisse Unsicherheiten. „Aber ich glaube, niemand kann sie jetzt noch wirklich bezweifeln“, sagt Claus Lämmerzahl, Physiker am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen.

Die Verdrillung der Raumzeit durch unsere Erde ist nur klein. Aber wenn sich ein schwerer Himmelskörper rasch um die eigene Achse dreht, bleibt seine Umgebung davon nicht unbeeinflusst. Sie rotiert mit. Der Raum krümmt sich – und die Zeit dehnt sich mit.

Ein Fallschirmspringer, der auf einem sehr schweren, flott kreiselnden Himmelskörper abgesetzt würde, bekäme dies deutlich zu spüren. „Statt senkrecht nach unten zu fallen, würde er von der Drehung des Himmelskörpers mitgeschleppt“, sagt Gerhard Schäfer, Astrophysiker an der Universität Jena. „Und zwar um so stärker, je näher er dem Himmelskörper käme.“

Albert Einstein erkannte dies zwar nicht als Erster. Aber schon 1912 ging er in einer kleinen Notiz der Frage nach: „Gibt es eine Gravitationswirkung, die der elektrodynamischen Induktionswirkung analog ist?“ Zu diesem Zeitpunkt hatte er seine Gravitationstheorie noch nicht ausgearbeitet. Und so lässt seine damalige Betrachtung einer rotierenden Kugel diesen Effekt lediglich erahnen, den die österreichischen Physiker Joseph Lense und Hans Thirring 1918 aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ableiteten, die Einstein soeben vorgestellt hatte.

Ciufolini und sein Team haben Jahre gebraucht, den Lense-Thirring-Effekt experimentell zu bestätigen. Denn in der Umgebung der in kosmischen Maßstäben winzigen Erde ist diese Raumzeit-Verwirbelung viel viel kleiner als etwa im Umfeld eines kompakten Neutronensterns. Trotzdem gelang es ihnen, diese Wirkung der Erdrotation auf zwei Satelliten zu bestimmen, die knapp 6000 Kilometer über dem Erdboden kreisen.

Der erste Satellit zieht seit 1976 seine Bahnen um den Globus, den zweiten brachte 1992 das Space-Shuttle ins All. Beide sind kugelförmig und rundum mit Spiegeln bestückt. Sie haben keinen eigenen Antrieb und sind damit dem Schwerefeld der Erde völlig ausgeliefert.

Die Forscher versuchten, möglichst exakt zu verfolgen, wie sich die Lage der Satelliten mit der Zeit verändert. Dazu peilten sie die beiden Kugeln von 50 verschiedenen Bodenstationen aus mit Lasern an. Die Spiegel reflektierten das Licht, und aus der Zeit, die der Laserstrahl für den Hin- und Rückweg benötigte, errechneten sie die Position der Satelliten – bis auf wenige Millimeter genau, wie sie in der heute erschienenen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Nature“ (Bd. 431, S. 958) berichten.

Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie lässt sich folgern, dass die Bahnen, auf denen die Satelliten kreisen, nicht stabil bleiben. Nach und nach werden die Satelliten von der Erdrotation leicht mitgerissen. „Die Bahnebenen der Satelliten beginnen dadurch zu rotieren“, sagt der Physiker Gerhard Schäfer. „Sie rotieren um die Drehachse der Erde.“

Allerdings ändert sich die Lage der Satelliten auch aus vielen anderen Gründen. Denn sie fliegen nicht um eine kugelförmige, homogene Erde. Der Globus ist stattdessen an den Polen abgeflacht; hier erheben sich Berge mehrere Kilometer hoch, dort graben sich Schluchten Tausende Meter tief in die Ozeane. Auch der Untergrund wechselt von Ort zu Ort. Und daher ist die Schwerkraft, die die Satelliten dort oben spüren, nicht immer dieselbe. Die Variationen sind so stark, dass sich die Positionen der Satelliten allein hierdurch um mehrere Kilometer pro Jahr verschieben.

Das wäre viel zu viel, um noch irgendwelche relativistischen Effekte messen zu können, die nur eine Abweichung von wenigen Metern im Jahr ausmachen – wenn es sich nur um einen Satelliten handelte. Da es aber zwei Satelliten sind, könnten die Forscher ungeliebte Störungen herausrechnen, sagt der Physiker Claus Lämmerzahl. „Dazu kombinieren sie einfach die Bahndaten der Satelliten.“

Das geht allerdings nicht ohne eine gute Kenntnis des Schwerefeldes der Erde. Dieses Feld wurde inzwischen mit Hilfe anderer Satellitenpärchen sehr gut gemessen. Ciufolini stützt sich bei seiner Arbeit vor allem auf jene Daten, die Christoph Reigber vom Geoforschungszentrum Potsdam und sein Team in den letzten Jahren gewonnen haben. Sie zeigen die Erde als „Kartoffel“ (siehe Bild).

Das Resultat der „Nature“-Studie sei die „erste ernst zu nehmende, akkurate Messung“ des Lense-Thirring-Effekts, schreibt Neil Ashby von der Universität von Chicago in Boulder in einem Kommentar. Bezieht man alle möglichen Fehlerquellen mit ein, so liegt die Ungenauigkeit allerdings noch bei etwa zehn Prozent - so als könne man die Größe eines ein Meter langen Tisches nur auf zehn Zentimeter genau angeben.

Das erscheint etlichen Physikern nicht gut genug. Sie warten auf Präzisionsmessungen. Auch die werden sie bald haben. Ein weiterer Satellit ist bereits unterwegs (siehe Kasten), der Einsteins krumme Dinger noch genauer testen soll. Dass es sich dabei nicht um Hirngespinste handelt, hat sich nun einmal mehr gezeigt.