Einsteins Schwerkrafttheorie durch NASA-Satelliten bestätigt

Von William Whitlow
14. Juli 2012

NASADie NASA gab im Mai 2011 bekannt, dass durch Gravity Probe-B (GP-B), einer von der NASA durchgeführten Raumfahrtmission, zwei Aussagen von Einsteins Schwerkrafttheorie, auch als Allgemeine Relativitätstheorie bekannt, mit erstaunlicher Genauigkeit bestätigt wurden [1]. Das Experiment startete im Jahr 2004, als ein Satellit in eine über Nord- und Südpol führende Umlaufbahn gebracht wurde. An Bord des Satelliten befanden sich vier speziell entwickelte Gyroskope (Kreiselinstrumente).

Das GP-B-Projekt überprüfte zwei Aussagen von Einsteins Theorie: die Raumzeitkrümmung und den Frame-Dragging-Effekt (auch: Lense-Thirring-Effekt bzw. Raumzeitverwirbelung). Die Raumzeitkrümmung ist ein Effekt, der infolge der Einwirkung des Gravitationsfeldes der Erdmasse auf Raum und Zeit entsteht: diese werden „gekrümmt“. Nichttechnische Erklärungen der Theorie haben diesen Effekt bekannt gemacht. Weniger bekannt hingegen ist der Frame-Dragging-Effekt, den die österreichischen Physiker Josef Lens und Hans Thirring 1918 vorhersagten, nur zwei Jahre nach Einsteins Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Dieser Effekt entsteht dadurch, dass die Erdrotation lokalen Raum und Zeit mit sich schleift bzw. verwirbelt.

Der Frame-Dragging-Effekt entsteht analog zu der Weise, in der rotierende elektrische Ladung Magnetismus produziert. Manchmal wird ihm, der auch „Gravitomagnetischer Effekt“ genannt wird, sogar die Erzeugung einer neuen Naturkraft, der gravimagnetischen Kraft, zugeschrieben.

Francis Everitt von der Stanford University, der wissenschaftliche Leiter des GP-B-Projekts, erklärte anschaulich: „Stellen Sie sich die Erde in Honig getaucht vor. Sobald der Planet rotiert, beginnt der Honig um ihn herum mit zu strudeln. Dasselbe geschieht mit Raum und Zeit.“

Die Gyroskope an Bord waren an einem Teleskop befestigt, das auf einen entfernten Stern gerichtet war. Wären Raum und Zeit von der Erde nicht beeinträchtigt, dann müssten sie sich weiterhin in dieselbe Richtung bewegen. Einsteins Theorie hingegen sagt voraus, dass sie aufgrund der Erdanziehung sich zu einem sehr geringen Umfang neigen müssten. Die Messung dieser Neigung wurde mit den theoretischen Vorhersagen der Einsteinschen Theorie verglichen.

Die Raumzeitkrümmung konnte auch schon früher gemessen werden: durch Untersuchung der Umlaufbahn des Mond-Erde-Systems in seiner Sonnenumkreisung. Diese Berechnungen bestätigten die Allgemeine Relativitätstheorie mit einer Genauigkeitsabweichung von einem Prozent. Die neuesten Ergebnisse, die GP-B liefert, sind hundertmal genauer. Die Abweichung beträgt 0,01 Prozent.

Der Frame-Dragging-Effekt ist so gering, dass er niemals zuvor direkt gemessen werden konnte. Die Präzision der GP-B-Messungen weicht um 4,9 Prozent von Einsteins Berechnungen ab.

Diese außerordentliche Exaktheit wurde erreicht, indem bei dem Experiment Messungen von Standpunkten aus erfolgt sind, welche einen Neigungswinkel der Gyroskope von 1,8-Tausendstel Grad bei der Raumzeitkrümmung und 11-Millionstel Grad beim Frame-Dragging-Effekt einschließen. Letztgenannter entspricht der Messung der Dicke eines Menschenhaares aus der Entfernung von einer Viertelmeile.

Obwohl das Experiment selbst im Jahr 2004 startete, geht der Beginn des NASA-Projekts auf das Jahr 1963 zurück und ist eines der am längsten fortdauernden in ihrer Geschichte. Die Idee, die Relativität mittels Gyroskopen zu überprüfen, wurde von Physikern erstmals um 1959-60 unterbreitet.

In den vier Jahrzehnten bis zum Experiment wurden mehr als ein Dutzend technischer Neuerungen eingeführt, die es schließlich auf solch ein hohes Präzisionsniveau heben konnten.

Die Gyroskope selbst bestehen aus reinem Quarz und sind vollkommen kugelförmig. Es sind die glattesten Objekte, die jemals angefertigt wurden. Um sich eine Vorstellung davon machen zu können, wie glatt sie sind, müsste man sie sich vergrößert auf die Ausmaße der Erde vergegenwärtigen: die höchsten Erhebungen oder tiefsten Täler auf ihrer Oberfläche würden nicht mehr als 2,4 Meter ausmachen.

Sie sind so konstruiert, dass sie praktisch keine Abweichung von ihrer Drehachse aufweisen. Damit sind sie zehn Millionen Mal präziser als die besten erdbasierten Gyroskope, die in Militärflugzeugen und atomar bestückten Unterseeboten verwendet werden.

Die Sensoren, welche die Richtung der jeweiligen Gyroskopachse messen, ruhen auf einer Quarzoberfläche, die mit einem dünnen Film supraleitenden Metalls (Niob) beschichtet ist und während seiner Drehung ein Magnetfeld erzeugt. Eine solche Supraleitfähigkeit – ein elektrischer Strom, der von keinem Widerstand gehindert wird – erfordert eine Temperatur von 1,8 Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad). Um diesen Effekt zu erzielen, wurde das GP-B-Weltraumfahrzeug um ein Dewargefäß mit einer Füllung von ca. 2450 Liter flüssigen Heliums gebaut, das über die gesamte Mission hinweg auf dieser Temperatur gekühlt bleiben musste. Dies für sich allein genommen stellt bereits eine bemerkenswerte technische Leistung dar.

Ein supraleitender Meßring aus Niob umgibt die Gyroskope. Falls ein Gyroskop sich in verschwindend geringem Maß aus seiner Achse neigen sollte, fließt in dem Ring ein elektrischer Strom. Dieser Strom wird von einer speziellen Apparatur, dem SQUID-Magnetometer (SQUID = Superconducting Quantum Interference Device, dt. Supraleitende Quanteninterferenzeinheit) gemessen. Diese Magnetometer messen Veränderungen in Magnetfeldern, die unter 1-Zehnbillionstel (1/10.000.000.000.000) des magnetischen Feldes der Erde liegen und sind in der Lage, die außerordentlich geringen Kippwinkel der Gyroskope zu ermitteln.

Eine Anzahl weiterer technischer Neuerungen, die für GP-B entwickelt wurden, fanden Anwendung in anderen NASA-Projekten, wie in der COBE-Mission (COBE = Cosmic Background Explorer, dt. Erkunder des Kosmischen Hintergrundes). Dieses Projekt misst die Hintergrundstrahlung des Weltalls und lieferte stützende Beweise für die Urknall-Theorie zum Ursprung des Universums. Diese Technik wird auch in zahlreichen weiteren Bereichen von Wissenschaft und Technologie Verwendung finden.

Everitt formulierte es prägnant: “Die jahrzehntelange technologische Entwicklung, die wir in diese Mission gesteckt haben, hinterlässt ein andauerndes Erbe auf der Erde und im Weltraum.“

Warum ist die Bestätigung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie bedeutsam? Sie wurde doch schon anerkannt und braucht keine weitere Bestätigung? Die Bedeutung des GP-B-Experiments besteht darin, dass wichtige Aspekte der Theorie sich auf einem solch hohen Exaktheitsniveau bewahrheitet haben.

Dies hat sowohl wissenschaftliche als auch allgemein philosophische Aussagekraft. Einsteins Theorie gründet auf der Anschauung, dass Raum und Zeit weder gottgegeben, wie Isaac Newton glaubte, noch reine Anschauungsformen des menschlichen Verstandes sind, wie Immanuel Kant angab. Einstein selbst fußte auf der materialistischen Auffassung, dass Raum und Zeit fundamentale Eigenschaften der Materie sind. Seine Allgemeine Relativitätstheorie zeigt, dass lokale Raumzeit bestimmt wird durch die Ausbreitung der Materie: sowohl lokal (wie bei GP-B und der Erde) als auch, zu sehr geringen Ausmaßen, durch die Materie des ganzen Weltalls. Diese materialistische Auffassung von Raum und Zeit wird durch das GP-B-Projekt reichlich bestätigt. Indirekte Bestätigung erfuhr sie bereits durch die Widerlegung von Theorien, die auf subjektivistischen Konzeptionen beruhten.

Vom wissenschaftlichen Standpunkt hat das GP-B-Experiment einen hohen Stellenwert, weil das hohe Präzisionsniveau es Wissenschaftlern erlauben wird, die Grenzen der Einsteinschen Theorie auszutesten. Sie sind jetzt in der Lage, künftige Experimente so einzurichten, dass die „Toleranzen“ ermittelt werden können, innerhalb welcher die Theorie ihre Aussagekraft behält.

In seiner Überblicksdarstellung für die Stanford-Universität stellte der an GP-B beteiligte Physiker John Mester fest: „Die Allgemeine Relativitätstheorie ist unsere gegenwärtige Gravitationstheorie. Sie hat weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis der Struktur des Kosmos. Augenblicklich befindet sich Einsteins Theorie außerhalb der drei übrigen Grundkräfte der Natur (Starke Wechselwirkung, Schwache Wechselwirkung und Gravitation), die in einem gemeinsamen Bezugssystem, dem „Standardmodell“, erklärt werden. Erfolgreiche Bestrebungen, alle vier Naturkräfte zu vereinigen, sind den Physikern von Einsteins Zeiten bis heute versagt geblieben. Die Erprobung von Theorien auf hohem Präzisionsniveau wird dabei helfen, ihren Gültigkeitsbereich zu definieren oder erweisen, an welchen Stellen die Theorien scheitern.“

Ein tieferes Verständnis der Einsteinschen Theorie wird gewaltige praktische Bedeutung für die technologische Weiterentwicklung haben. Die Allgemeine Relativitätstheorie spielt bereits eine entscheidende Rolle im Global Positioning System (GPS), welches von Millionen Menschen im täglichen Leben sowohl beim Wandern als auch beim Autofahren genutzt wird und das eine wesentliche Rolle in der modernen Industrieproduktion und Distribution spielt. Das GPS-System liefert eine bis auf zehn Meter exakte Positionsbestimmung auf der Erdoberfläche und wird gegenwärtig ausgiebig bei der Navigation von Lastwagen, Flugzeugen und Schiffen eingesetzt. Seine Präzision beruht auf der Nutzung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Die 24 Satelliten, welche GPS ermöglichen, müssen eine Zeitgenauigkeit von 20-30 Nanosekunden (1 Nanosekunde = 1 Milliardstel Sekunde) einhalten. Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass die Uhren in den Satelliten leicht schneller gehen (45 Mikrosekunden täglich, 1 Mikrosekunde = 1 Millionstel Sekunde) als die Uhren auf der Erde. Die Satellitenzeit muss entsprechend dieser geringen Abweichung korrigiert werden, sonst werden Fehler in der GPS-Positionierung sehr schnell auf Ausmaße von bis zu zehn Kilometern täglich anwachsen.

Das GP-B-Projekt sagt uns etwas Bedeutsames über die Wissenschaft als Ganzes. Es gibt den weitverbreiteten Glauben, dass Wissenschaft sich einzig auf Grundlage individuellen Genies weiterentwickelt. Die Arbeiten des Soziologen Thomas Kuhn förderten diese verzerrte Auffassung von wissenschaftlichem Fortschritt. Kuhn behauptete, dass infolge der Arbeit herausragender Individuen, die neue Theorien entwickeln, die Wissenschaft einem periodischen Paradigmenwechsel unterliege. Das GP-B-Projekt demonstriert hingegen, dass Wissenschaft ein gesellschaftliches Unterfangen ist und sich in enger Beziehung mit technologischem Fortschritt entwickelt. Zweifellos sind die Arbeit und der Beitrag individueller Genies wie Einstein unerlässlich. Dieser Beitrag hängt jedoch von einer umfassenden wissenschaftlichen Kultur ab, in der diese Genies ausgebildet wurden und gegen die sie ihre Ideen erproben. Die Erschaffung wissenschaftlicher Kultur ist das Werk von Generationen und nicht brillanter aber isolierter Erkenntnisse oder eigenbrötlerischer Versuchserfolge.

Das GP-B-Projekt ist Ausdruck der Arbeit hunderter Wissenschaftler, die an den Auseinandersetzungen und Diskussionen beteiligt waren, die seit 50 Jahren ausgetragen werden und uns zu unserem heutigen Verständnis der Relativität geführt haben. Wie Einstein vor ihnen, so stützten auch sie sich auf den technologischen Fortschritt. Im Gegenzug liefern sie die Grundlage für weitere Entwicklungen der Technologie und für ein tiefer gehendes Verständnis des Universums. Zwischen wissenschaftlichem und technologischem Fortschritt sowie der philosophischen Erkenntnis der Materie gibt es eine vielschichtige Beziehung. Trotzki sprach diese Frage in Kultur und Sozialismus [2] an:

“’Bewegt die Kultur die Technik oder die Technik die Kultur vorwärts?’ Eine solche Fragestellung ist falsch. Die Technik kann der Kultur nicht gegenüber gestellt werden, denn sie ist ihre grundlegende Triebfeder. Ohne Technik keine Kultur. Die Entwicklung der Technik bewegt die Kultur vorwärts. Doch der Fortschritt der Wissenschaft und der allgemeinen Kultur auf der Grundlage der Technik stellen einen mächtigen Beistand bei der weiteren Entwicklung der Technik dar. Hier besteht eine dialektische Wechselwirkung.“

Das GP-B-Projekt verkörpert dieses Prinzip.

1. http://www.nasa.gov/mission_pages/gpb/ [zurück]

2. Leo Trotzki: Kultur und Sozialismus, in: Ders.: Fragen des Alltagslebens, Essen 2001, S.188 [zurück]