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Genauere Gravitationskonstante : Schwerkraft auf dem Prüfstand

Eine moderne Torsionswaage zur präzisen Bestimmung der Gravitationskonstanten Bild: University of Washington, Big G Measuremen

Mit zwei speziellen Pendelwaagen ist die Gravitationskonstante neu und noch präziser vermessen worden. Ein Segen für die Grundlagenforschung. Doch die Resultate werfen Fragen auf.

          2 Min.

          Die Gravitationskonstante, dessen Wert von allen Naturkonstanten noch immer am ungenauesten bekannt ist, hat eine chinesische Forschergruppe mit der bislang größten Präzision auf zwei Arten neu ermittelt. Für ihre Messungen verwendeten die Forscher um Qing Li von der Huazhong Universität in Wuhan ein Verfahren, das auf den Torsionspendelversuch des englischen Physikers Henry Cavendish zurückgeht – allerdings in zwei abgewandelten und optimierten Varianten.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Gravitationskonstante zählt zusammen mit der Lichtgeschwindigkeit c und dem Planck’schen Wirkungsquantum h zu den wichtigsten Naturkonstanten der Physik. Die Schwerkraft ist von allen vier bekannten elementaren Kräften indes die bei weitem schwächste. Deshalb bereitet es große Schwierigkeiten, die dazugehörige Konstante präzise zu ermitteln. Die Ergebnisse, die bisher mit entsprechenden Messungen erzielt worden sind, unterscheiden sich teilweise stark voneinander.

          Zwei optimierte Pendelwaagen

          Die beiden Experiment der Forscher um Li beruhen auf einem Verfahren, das Cavendish 1798 für den Nachweis der Gravitationskraft verwendete. Damals wollte er messen, wie sich ein Faden mit einer daran hängenden Masse verdreht, wenn man den Versuchsaufbau der Schwerkraft einer anderen Masse aussetzt. Seitdem gilt das Torsionspendel als der klassische Schwerkraftmesser.

          Die chinesischen Wissenschaftler haben die Pendelwaage Cavendishs auf zwei Arten verbessert. Anders als früher ist sind ihre Aufbauten jetzt unabhängig von den verwendeten Materialien und der Verteilung der Gewichte. Außerdem wird in einem Fall nicht mehr der Winkel gemessen, um den sich der Torsionsfaden verdreht.

          Die  aktuellen Mess­ergeb­nisse („This work“, in blau) im Vergleich mit früheren Messungen und mit dem aner­kannten CODATA-2014-Wert.

          Beim ersten Experiment hing ein vergoldeter Quarzblock an einer Glasfaser. Zwei jeweils 778 Gramm schwere Stahlkugeln beeinflussten über ihre Schwerkraft die Torsionsschwingungen der Faser und deren zeitliche Periode. Eine Atomuhr maß die Schwingungsperiode jedes Mal, wenn die Stahlkugeln neu positioniert wurden. Auf diese Weise konnten Li und seine Kollegen den Wert der Gravitationskonstanten zu 6,674184·10⁻¹¹ ermitteln.

          Unerwartete Diskrepanzen

          Beim zweiten Versuch befinden sich das Torsionspendel und die Stahlkugeln auf je einem Drehtisch, die unabhängig voneinander rotieren können. Damit der Faden sich aber nicht wie in Cavendishs Versuch verdrillen kann, wird die Drehgeschwindigkeit der Tisches den auf das Pendel einwirkenden Kräften entsprechend angepasst. Das Pendel bleibt dadurch in Ruhe.

          Aus der Änderung der Rotationsgeschwindigkeit haben die amerikanischen Wissenschaftler schließlich ebenfalls den Wert der Gravitationskonstante ermittelt. Diese beträgt nun 6,6744184·10⁻¹¹ und besitzt einen leicht höheren Wert, wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten. Beide Resultate stimmen mit dem bisher akzeptierten Wert für die Gravitationskonstante gut überein.

          Die Ungenauigkeit von 47 ppm (Teile pro Million), bislang ein großes Problem, konnte deutlich auf 12 ppm gesenkt werden. Warum die beiden chinesischen Werte allerdings so stark voneinander abweichen, ist unklar und Anlass für Spekulationen.

          Trotz aller Bemühungen ist Genauigkeit noch nicht ausreichend, um zu sagen, ob die Gravitationskonstante wirklich unveränderlich ist oder vielleicht doch im Laufe der Zeit variiert, wie es einige Wissenschaftler seit einiger Zeit vermuten. Ein solches Verhalten hätte erhebliche Konsequenzen für eine Reihe von Disziplinen, darunter die Relativitätstheorie, die Astrophysik und die Kosmologie.

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