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Präzise Gravitationsmessung : Die tiefere Natur der Schwerkraft

  • -Aktualisiert am

Abgeschirmt: Diese Torsionswaage misst die schwache Anziehungskraft zwischen den Millimeter großen Goldkügelchen. Die beiden Testmassen sitzen am Ende eines drehbar aufgehängten Glasstabes. Bild: Tobias Westphal

Schwerkraft auf dem Prüfstand: Mit einer extrem empfindlichen Waage haben Wiener Physiker die Anziehungskraft zwischen zwei winzigen Kügelchen erfasst und einen Messrekord aufgestellt.

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          Sie hält Galaxien und Planetensysteme zusammen und sorgt dafür, dass wir nicht den Halt unter unseren Füßen verlieren: Die Gravitation ist eine der vier elementaren physikalischen Kräfte. Sie wirkt über unendliche Abstände hinweg, ist allerdings bei weitem die schwächste aller Grundkräfte. Es sind schon gehörige Massen notwendig, um eine nennenswerte Anziehung hervorzurufen. Heute lassen sich mit der Gravitationstheorie von Newton und ihrer Verfeinerung im Rahmen der Einstein’schen Relativitätstheorie alle bekannten gravitativen Kräfte auf großen und schweren Skalen hervorragend beschreiben.

          Bei kleinen und leichten Objekten hingegen erwarten viele Theoretiker Überraschungen. So könnten bei sehr kleinen Massen und entsprechend kürzeren Abständen Quanteneffekte zutage treten, die auf einen Quantencharakter der Schwerkraft hinweisen. Da nach der Relativitätstheorie die Schwerkraft eine Eigenschaft der Raumzeit ist, wären also Raum und Zeit ebenfalls Teil des eigenartigen Quantenkosmos. Nun ist die Gravitation die einzige der elementaren physikalischen Kräfte, die noch nicht quantentheoretisch beschrieben werden kann. Eine solche Entdeckung würde deshalb eine Umwälzung der Physik bedeuten, die ähnliche Tiefenwirkung haben dürfte wie die Relativitätstheorie.

          Einen wichtigen Schritt hin zu einem möglichen Nachweis der Quantennatur der Schwerkraft hat nun eine Forschergruppe von der Universität Wien gemacht. Die Physiker um Markus Aspelmeyer haben hierzu die Anziehungskraft zwischen winzigen Goldkügelchen von gerade einmal zwei Millimeter Durchmesser gemessen. Diese wogen nur rund 90 Milligramm und waren deutlich leichter als bisherige Testmassen, die man in ähnlichen Versuchen verwendet hatte. Das Experiment der Wiener Forscher beruht auf demselben Messprinzip wie das für die Geschichte der Naturwissenschaft bedeutsame Cavendish-Experiment von 1798. Seinerzeit nutzte Henry Cavendish eine Torsionswaage, bei der er die Anziehungskraft einer 160 Kilogramm schweren Bleikugel ermittelte und so erstmals eine experimentelle Bestimmung der Gravitationskraft möglich machte.

          Zwei Forscher  arbeiten im Wiener Labor an der Aufhängung des Pendels in einer Vakuumkammer.
          Zwei Forscher arbeiten im Wiener Labor an der Aufhängung des Pendels in einer Vakuumkammer. : Bild: Barbara Mair

          Torsionspendel im Miniformat

          Die Forscher um Aspelmeyer haben ebenfalls ein Torsionspendel verwendet, allerdings im Miniaturformat. Zwei Goldkügelchen waren an den beiden Enden eines vier Zentimeter langen und sehr dünnen Glasstabs befestigt, der in der Mitte an einer hauchdünnen Glasfaser mit einem Durchmesser von nur rund einem Zehntel eines menschlichen Haares hing. Die gesamte Apparatur befand sich im Vakuum und war extrem gut gedämpft gelagert, um alle möglichen äußeren Störungen zu unterdrücken. Dazu gehörte auch ein sogenannter Faraday-Schild – eine dünne, goldbedampfte Folie, die die Goldkügelchen von elektromagnetischen Feldern abschirmte.

          Die Schwerkraftmessung erfolgte nun durch ein weiteres, ähnlich kleines Goldkügelchen, das periodisch bis auf weniger als einen halben Millimeter an eines der beiden Kügelchen des Torsionspendels angenähert und wieder entfernt wurde. Dies führte zu einer Auslenkung des Pendels im Bereich von wenigen Nanometern (milliardstel Meter), was die Forscher mit Hilfe eines Lasers ausmessen konnten.

          „Die größte Herausforderung bei unserem Experiment ist die unglaubliche Schwäche der Gravitationskraft“, sagt Markus Aspelmeyer. So ist die Wirkung der Schwerkraft der Erde auf die Kügelchen rund 30 Milliarden Mal so stark wie die Anziehung durch das bewegte Goldkügelchen in der Wiener Torsionswaage. „Selbst die Bewegung eines Experimentators in einem Meter Entfernung oder eine Straßenbahn in 70 Meter Entfernung bewirkt einen ähnlich starken Effekt wie den, den wir messen wollen“, ergänzt Hans Hepach von der Universität Wien.

          Von äußeren Störungen abgeschirmt

          Sogar der Einlauf beim Wiener Stadtmarathon und die Ankunftszeiten von Nachtbussen fanden sich in den gemessenen Daten wieder. Solche gravitativen Einflüsse lassen sich überhaupt nicht abschirmen. Um sie vom gewünschten Signal unterscheiden zu können, ließen die Forscher die Testmasse sich langsam periodisch bewegen und analysierten dann die Zeitreihe über einen Verlauf von mehreren Wochen.

          „Mit der nun erzielten Empfindlichkeit haben wir zwar einen neuen Rekord erzielt, das reicht aber noch nicht zur Bestimmung von möglichen Quanteneffekten“, erklärt der Physiker Jeremias Pfaff, ebenfalls von der Universität Wien. Mit einer Weiterentwicklung der Technik und eventuell der Umstellung von einem Fadenpendel hin zu einer magnetisch gelagerten, tiefgekühlten Apparatur sollte man aber nochmals um einen Faktor tausend leichtere Massen auf ihre Schwerkraftwirkung hin untersuchen können. Dann wäre man in einem Bereich, in dem laut diversen Theorien neuartige physikalische Effekte zu sehen sein könnten. Vorausgesetzt, eine Katze läuft nicht im Hof des Wiener Instituts im Kreis herum.

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