Von Rainer Kayser: Das Rauschen des Raumes

Wie ein hochmodernes Forschungslabor sieht der containergroße Blechkasten südlich von Hannover nicht aus. Und doch sollen die darin enthaltenen Geräte endlich den Nachweis für ein wesentliches Element der Relativitätstheorie liefern: Gravitationswellen. Einsteins Idee zufolge erzeugt jede beschleunigte Bewegung von Massen – etwa eine Sternenexplosion – rhythmische Verformungen des Raumes, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Der Blechkasten samt zweier 600 Meter langer Röhren, die entlang einem Acker verlaufen, hat bereits einige Messdaten gesammelt. Entstanden ist er unter Federführung des Potsdamer Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert Einstein Institut), das in Hannover eine Zweigstelle aufgebaut hat.

Die mysteriösen Schwingungen des Raumes sind darin noch nicht zu erkennen. Stattdessen aber ein Hinweis auf kleinste Elemente des Raumes, von Physikern als „Körnigkeit der Raumzeit“ bezeichnet. Und darauf, dass unser Kosmos eine Art Hologramm ist. Das zumindest behauptet der US-Physiker Craig Hogan vom Fermilab in Chicago.

„Das ist alles hochspekulativ“, dämpft Karsten Danzmann, Direktor der Abteilung des Albert-Einstein-Instituts in Hannover, die Erwartungen. Danzmanns Institut ist eines von insgesamt fünf, die das deutsch-britische Projekt „Geo600“ betreiben. In den bisherigen Messdaten der Anlage zeigt sich ein hartnäckiges, störendes Rauschen. Für die Geo600-Forscher ein Ärgernis, war das Rauschen für den Physiker Hogan eine Offenbarung: Er glaubt, hinter dem Phänomen stecke die Quantenstruktur des Raumes.

Nach den Vorstellungen der theoretischen Physiker muss auf kleinsten Skalen nämlich nicht nur die Materie, sondern auch der Raum durch eine Quantentheorie beschrieben werden: Er wird dort schaumig, unscharf und ist ständigen Veränderungen unterworfen. „Planck-Skala“ nennen die Forscher den Abstand, bei dem Quanteneffekte die Herrschaft über die Struktur des Raumes übernehmen. Mit zehn hoch minus 35 Metern ist die Planck-Skala 100 Milliarden Milliarden mal kleiner als der Durchmesser eines Protons und liegt damit eigentlich weit jenseits aller experimentellen Nachweismöglichkeiten. Es sei denn, unser dreidimensionaler Raum ist nur eine Illusion. Das ist nicht ausgeschlossen.

Bisher sind die Relativitätstheorie und die Quantentheorie innerhalb der jeweils typischen Größenordnungen – nahezu unendliches Weltall und winziger Mikrokosmos der Atombausteine – gültig. Aber sie lassen sich noch nicht zu einer einzigen, umfassenden Theorie zusammenbringen. Bei dem Versuch, eine solche „Quantentheorie der Gravitation“ zu entwickeln, sind Physiker auf die irritierende Möglichkeit gestoßen, dass unser vertrauter Kosmos einem Hologramm ähnelt: Alles, was im Universum passiert, lässt sich auch durch Vorgänge beschreiben, die auf einer zweidimensionalen Oberfläche ablaufen und dann in die dritte Dimension projiziert werden.

Hier setzen Hogans Überlegungen an. Auch auf einer solchen zweidimensionalen Oberfläche müssen bei extrem kleinen Abständen nahe der Planck-Skala Quanteneffekte auftreten. Wenn das Universum ein Hologramm ist, müsste sich dieses „Quantenrauschen“ durch die holografische Abbildung vergrößern. In dem von uns wahrgenommenen dreidimensionalen Raum könnte das Quantenrauschen durchaus in den Bereich der Messbarkeit kommen, glaubt Hogan. „Und dann stieß ich überraschend darauf, dass die Messungen von Geo600 ein Rauschen zeigen, das genau meinen Vorhersagen entspricht“, berichtet der Physiker.

„Das wäre natürlich eine Sensation“, sagt Danzmann. „Die Ursache für das Rauschen kann aber auch woanders liegen.“ Deshalb wollen er und seine Kollegen dieser Idee mit weiteren Messungen nachgehen. Dabei prüfen sie unter anderem, ob das Rauschen, wie von Hogan vorhergesagt, unabhängig von der Frequenz ist. Bislang ist Geo600 so justiert, dass es für Gravitationswellen von Sternexplosionen und kollidierenden schwarzen Löchern am empfindlichsten ist. Denn solche kosmischen Katastrophen wären starke Sender von Raumschwingungen, die die Messgeräte an dem niedersächsischen Acker aufspüren sollen.

Der Nachweis von Gravitationswellen ist jedoch ungeheuer schwierig. Die Raumschwingungen einer Supernova im Zentrum unserer Milchstraße beispielsweise würden den Abstand zwischen Erde und Mond, der durchschnittlich 380 000 Kilometer beträgt, nur um einen zehntausendstel Millimeter ändern. In Detektoren wie Geo600 versuchen Forscher, solch winzige Änderungen aufzuspüren. Dazu wird ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Mithilfe von Spiegeln werden diese mehrfach durch die beiden senkrecht zueinander stehenden Arme der Anlage geschickt. Bei der anschließenden Überlagerung der beiden Strahlen entsteht ein Interferenzmuster, das empfindlich auf kleinste Änderungen der Armlängen reagiert.

Geo600 ist nicht die einzige Anlage auf der Welt, mit der die Physiker nach Gravitationswellen fahnden. Mit Armlängen von drei oder gar vier Kilometern sind „Virgo“ in Italien und die beiden „Ligo“-Detektoren in den USA sogar deutlich größer. „Das Grundprinzip ist zwar bei allen Detektoren gleich, aber im Detail sie sind unterschiedlich aufgebaut“, sagt Danzmann. „Geo600 reagiert besonders empfindlich auf Seitwärtsbewegungen des Strahlteilers in der Mitte, und genau eine solche Bewegung wäre aufgrund des Quantenrauschens zu erwarten.“

Ihre extreme Empfindlichkeit macht Gravitationswellen-Antennen allerdings auch sensibel für andere Störungen. Die Detektoren müssen nicht nur gegen seismische Erschütterungen und Vibrationen durch den Straßenverkehr isoliert werden, selbst die Wellen der Nordsee machen sich bemerkbar. „Jede Verbesserung der Empfindlichkeit bringt neue Störungen zum Vorschein“, sagt Danzmann.

So aufregend die Möglichkeit auch ist, mit Geo600 nachzuweisen, dass unser Universum ein Hologramm ist, im Vordergrund steht doch die eigentliche Aufgabe der Detektoranlage: die Suche nach Gravitationswellen. In den nächsten Jahren wollen die Forscher die Empfindlichkeiten der Anlage um das Zehnfache erhöhen. Danzmann ist sich sicher: „Bis 2015 finden wir Gravitationswellen.“