„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Gravitationswellen

Gravitationswellen sind postulierte Wellen in der Raumzeit, die selbige mit Lichtgeschwindigkeit passieren und dabei stauchen und strecken.

1915 entwickelte der Physiker Albert Einstein eine weitergreifende Beschreibung der Gravitation, als die vorherige. Mit ihr kann man erklären, wie selbst Raum und Zeit durch die Anwesenheit von Masse und Materie verformt werden und wie wiederum die Bewegung der Materie dadurch beeinflusst wird und letztendlich Gravitationskraft entsteht. Die Existenz von Gravitationswellen ging als eine direkte Folge dieser AR-Theorie hervor: Ein jedes System beschleunigter Massen soll nach ihr Gravitationswellen erzeugen.

Natürlich sehr vereinfacht darf man sich das so vorstellen: Man wirft einen (selbstverständlich: massebehafteten) Stein in einen Teich, woraufhin dieser die Wasseroberfläche verformt – es entstehen Wellen. In dieser Analogie entspricht das Wasser dem Raum und die Wellen, die von der bewegten Materie verursacht werden und sich vom Einschlagsort ausgehend ausbreiten, den Gravitationswellen. Wie auch das Wasser wird der Raum durch Materie gestaucht, gedehnt und wackelt hin und her. Und wie auch im Wasser werden auch die Raumwellen mit der Zeit zunehmend schwächer. Einigermaßen gut klappt das mit den Gravitationswellen, wenn man sehr, sehr, sehr schwere Objekte in den Raum wirft: Zwei Schwarze Löcher oder Supernovae zum Beispiel.

Man sollte diese Analogie jedoch nicht allzu eng nehmen, denn der Raum ist nicht so elastisch wie Wasser. Es ist wirklich sehr schwer, ihn zu verbiegen. Wie stark sich ein Material seiner Verformung widersetzt, wird in einer Größe namens Elastizitätsmodul angegeben. Ein Stück Holz hat ein Elastizitätsmodul von 10 Gigapascal. Bei dem unelastischeren Material Stahl sind es 200 Gigapascal und je größer diese Zahl, desto schwerer ist es eine Entität aus diesem Stoff zu verformen. Nun hat die Raumzeit selbst ein Elastizitätsmodul von unglaublichen 10^24 Gigapascal, das ist Hunderttrilliarden Mal mehr als bei Holz und Holz ist nicht gerade für seine Biegsamkeit bekannt. Die Raumzeit ist also definitiv keine wellenanfällige Wasseroberfläche.

Nachweis?

Ein direkt-empirischer Nachweis der Gravitationswellen steht noch aus. Vorhergesagt wurden Gravitationswellen schon vor nun 100 Jahren. Dass man sie realiter bis heute nicht messen bzw. nachweisen konnte, hängt wohl damit zusammen, dass sich Raum, wie oben beschrieben, auch bei größten Kräften nur geringfügig wellt. Selbst superschwere Schwarze Löcher schaffen im erdnahen Bereich nur eine relative Längenänderung von bestenfalls 10^-18. Bei einer Strecke von 3 Kilometern entspricht dies dem Tausendstel eines Durchmessers eines Protons – das ist wirklich sehr, sehr wenig. Und folglich auch sehr, sehr schwer zu messen..

2. Lösungsansätze

Wie lassen sich Gravitationswellen messen? So leicht ist diese Frage gar nicht zu beantworten, auch der jüngste Versuch, am BICEP2 Gravitationswellen zu detektieren, schlug fehl. Wenn Gravitationswellen jedoch physisch existieren, und davon geht man gegenwärtig ganz stark aus, müssten sie auch irgendwie messbar sein. Nur wie? Physiker denken da u.a. an folgende Versuchsanordnungen:

  • Man könnte zwei tonnenschwere Metallstäbe verdrehen: Dieser Vorschlag stammt vom kyotischen Physiker Masaki Ando. Wenn man zwei schwere Metallstäbe an ihrer Mitte befestigt und über ein Kreuz aufhängt, so müssten die Gezeitenkräfte einlaufender Gravitationswellen diese Stäbe gegeneinander verdrehen. Könnte ein solches Phänomen gemessen werden, beispielsweise mit mehreren hochsensiblen Laserinterferometern, käme dies einem Nachweis der Gravitationswellen gleich.

  • Der Schlüssel zu den Gravitationswellen könnte auch in der Messung kosmologischer Laserstrahlen liegen: Dazu braucht es nicht mehr als eine Gravitationswellen-Antenne im Weltraum. Die ESA und NASA arbeiteten auch schon bereits an einem solchen Monsterprojekt, es hieß LISA und setzt sich aus drei Raumsonden zusammen, die einmal untereinander Laserstrahlen austauschen sollen. Im Dreieck fliegen die Laserstrahlen zwischen den Sonden umher, während sich diese um die Erde herum bewegen. Leider befand die NASA das Projekt 2011 als zu kostspielig, weshalb es nun unter rein europäischer Finanzierung unter dem Namen eLISA vorangetrieben wird. Sofern eine minimale Abstandsänderung zwischen den Sonden festgestellt werden kann, käme ursächlich für diese Gravitationswellen aus verschmolzenen, weit entfernten supermassereichen Schwarzen Löchern in Frage.

  • Auch unser blauer Heimatplanet könnte uns den Gravitationswellen näher bringen: In diesem recht spektakulären Vorschlag soll die Erde als Resonanzkörper für kosmische Raumzeitschwingungsmuster herhalten. Über die Erdoberfläche hinweg würde man dann viele gravimetrische Sensoren aufstellen, die uns dann mitteilen, ob unsere Welt durch Gravitationswellen verformt wird oder eben nicht. Ein Problem bei diesem Szenario sind jedoch Erdbeben, Wetterschwankungen und weitere Störsignale hier unten. Auf dem Mond hätte man diese ungewünschten Faktoren gar nicht, weshalb man auch zunächst ihn als Resonanzkörper präferierte. Leider schlug der Versuch eines Gravitationswellen-Nachweis auf dem Mond 1972 fehl, weshalb man sich seitdem nun wieder auf die Erde konzentriert. Wer, wie und ob die Gravitationswellen jemals gemessen werden, steht also noch – buchstäblich – in den Sternen.

Stand: 2015

Kommentare: 5
  • #5

    Siegfried Marquardt (Freitag, 18 März 2016 20:51)

    Es wäre noch hinzuzufügen, dass Einstein nicht 1915 sein Plagiat zu den Gravitationswellen veröffentlichte, sondern erst am 18. März 1918. Und die Erkenntnisse zu den Gravitationswellen stammen nicht von Einstein, sondern von dem französischen Mathematiker und Physiker Henri Poincarè, der sich bereits 1905 mit dem Phänomen von Gravitationswellen beschäftigte! Es ist zu vermuten, dass Deutschland, das den 1. Weltkrige verlor, Einstein vereinahmte, um noch den geistigen Sieg über Frankreich im Nachhinein zu erzielen.
    Literaturrecherchen ergaben, dass das maximale Auflösungsvermögen von modersten Laserinterferometer 1 nm ( 10hoch-9 m)beträgt! Damit wären die forschen Forscher aus den USA und Deutschland, samt der Max-Planck-Gesellschaft und den Einstein-Institute brillant widerlegt, die angeblich eine Amplitude von 10hoch- 21 gemessen haben sollen!
    Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen

  • #4

    Siegfried Marquardt (Freitag, 11 März 2016 20:50)

    Gravitationswellen können mit elektromagnetsichen Wellen nicht interferieren!
    Im Moment der Fusion der beider Schwarzen Löcher entstehen Gravitationswellen mit einer Amplitude von 10-21 m bei einer Frequenz von 1 kHz. Wie sollen diese Wellen mit einer Wellenlänge von
    λGW=3*108 m/s: 10³ Hz= 3*105 m (1)
    mit den Wellen des sichtbaren Laserlichtes im grünen Bereich mit einer Wellenlänge von 550 nm und einer Frequenz von ca. 1015 Herz interferieren können? Im Interferometer wird sich keine Interferenz der beiden extrem unterschiedlichen Wellentypen abbilden können. Ja, wie sollten den Gravitations- und elektromagnetische Wellen miteinander interferieren können? Dies wäre ja quasi so, als wenn Schallwellen mit elektromagnetische Wellen, oder Wasserwellen mit Schallwellen interferieren. Und die winzige Energie eines Gravitons mit
    EGW=h*νGW=6,625 *10-34 Ws²*1000 Hz ≈ 6*10-31 Ws (2)
    zu einem Photon mit der Energie von
    EPh=h*νPh=6,625 *10-34 Ws²*1015 Hz ≈ 4*10-19 Ws (3)
    verhält sich wie Eins zu 1012. Das winzige Graviton kann gar keine physikalische Wirkung auf das Photon ausüben!

    Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen

  • #3

    Siegfried Marquardt (Donnerstag, 18 Februar 2016 16:31)

    Wissenschaftlicher Humbug!
    Wie den Medien zu entnehmen war, wollen die amerikanischen Physiker mit ihrem Observatorium zum Nachweis von Gravitationswellen angeblich die Längenänderung von einem Tausendstel des Durchmessers eines Wasserstoffatomkerns gemessen haben. Dies ist zurzeit absolut unmöglich! Denn der Durchmesser eines Wasserstoffprotons beträgt DH2p= 2,8*10-15 m. Ein Tausendstel davon wären nach Adam Ries dann 2,8*10-18 m. Übrigens erzeugt jede natürliche Erschütterung (vorbeifahrendes Auto, ja ein Fußgänger) in der Umgebung des Observatoriums eine bedeutend größere Erschütterung und Abweichung, wie die angeblich gemessene Längendifferenz von ∆s=2,8*10-18 m. Unabhängig davon, beträgt die maximale Auflösung von Licht allgemein 0,5 der Wellenlänge oder ∆λ = λ/2. Da vom Laser des amerikanischen Observatoriums zur Detektion von Gravitationswellen nicht der Wellenbereich angegeben wurde, soll das gesamte sichtbare Spektrum für die Berechnung des Auflösungsvermögens betrachtet werden. Das sichtbare Spektrum der Wellenlängen reicht von ca. 390 nm (Nanometer – ein Milliardstel Meter) bis ca. 780 nm. Die Spannweite des Auflösungsvermögens bewegt sich also von 195 nm bis 390 nm. Dies sind rund 2*10-7 bis 4*10-7 m. He-Ne-Laser im Infrarotbereich arbeiten mit einer Wellenlänge von ca. 3400 nm. Das Auflösungsvermögen beträgt also in diesem Falle ca. 1,7* 10-6 m und liegt um 12 Potenzen unter dem erforderlichen Auflösungsvermögen von 2,8 *10-18 m. Nun könnten die amerikanischen Forscher ganz clever gewesen sein und die Laufzeitdifferenz gemessen haben. Da ergibt eine noch katastrophalere Bilanz! Die Laufzeitdifferenz ∆t beträgt nämlich zirka 10-26 s. Denn:
    ∆t= ∆s:c= 2,8*10-18 m: 3*108 m/s ≈ 10-26s. (1)
    Das Auflösungsvermögen von optischen Atomuhren beträgt gegenwärtig 10-17 s und liegt damit deutlich unter dem hypothetisch berechneten Auflösungsvermögen. Und bei der Betrachtung der Energiebilanz wird deutlich, dass aus einer Entfernung von
    s= t*c=1,3 *109*365*24*3600 s* 300.000 km/s ≈ 1,3*109*3,2 *107*3*105 km ≈
    1,2*1022 km (2)
    von der Energie der drei Sonnen mit der Energie
    ESL=m*c²= 3*2*1030 kg* 9*1016 m²/s² ≈ 5,4*1047 J (Joule) (3)
    nur noch rund
    EE=9*10 9 J=9*109 Ws ≈ 2500 kWh (4)
    auf die Erdatmosphäre auftreffen und dann von ihr mit Sicherheit total absorbiert würden. Denn es gilt
    EE= ESL: [(16*ASL:AE)* (R²:RE²]. (5)
    weil die Energiedichte mit dem Quadrat der Entfernung vom Fusionsort der beiden schwarzen Löcher mit einer Gesamtmasse von 29+36=65 Sonnenmassen abnimmt und sich im Raum homogen verteilt. Anderseits bildet die Erde in Relation zu den beiden schwarzen Löchern nur eine ganz geringe Fläche, wobei sich das Verhältnis der beiden Flächen von den schwarzen Löchern mit dem Radius rSL und der Erde mit dem Radius rE allgemein wie folgt errechnet:
    n=³√(65)²rSL²: rE². (6)
    Damit ergibt sich eine Energie von
    EE= 5,4*1047 J: [(16*0,5*1012): (41*106)]*[(1,44*1044: 0,5*1012)] ≈
    9*109 J=9*109 Ws ≈ 2500 kWh (7)
    die auf die Erdoberfläche gelangen würde. Zum Observatorium selbst würden gerade einmal 0,4 J gelangen, wenn man das Flächenverhältnis der Erde in Relation zur Ausdehnung des Observatoriums setzt, wie leicht nachzurechnen ist. Nach einem anderen Modell wird wohl streng genommen nicht ein J auf der Erde ankommen können, weil das All vom kosmischen Staub und den Planeten auf einer Entfernung von E=1,2*1022 km zur Erde völlig dicht und abgeschirmt sein muss, Und dies ist nun fast mehr als Nichts, einmal ganz salopp und skurril formuliert! Eine andere Frage wäre noch von Interesse: Wie verändert sich das Gravitationsfeld zwischen Fusionsraum der schwarzen Löcher und der Erde, wenn die drei Sonnenmassen in Energie verwandelt wird? Nach dem Newtonschen Gesetz ändert sich das Gravitationsfeld wie folgt:
    ∆F= γ*ME*MSL:r²= 6,76*10-11*6*1024*2*1030*3 N: 1,44*1044 ≈17 N.
    Es wirkt also eine Kraftänderung von 17 N auf die gesamte Erde ein. Diese Kraft ist nicht in der Lage, eine merkliche Änderung in der Versuchsanlage des Observatoriums zu bewirken. Die Amerikaner sind wohl irgendwie auf Dummenfang gegangen, um an Forschungsgelder und an den Nobelpreis ranzukommen. Sehr gewagt ist anderseits die These/Hypothesen von der vermeintlichen Existenz von Gravitationswellen und der Fusion von schwarzen Löchern auf die Urknall-Theorie des Universums zu schlussfolgern bzw. zu extrapolieren, nach dem das Universum innerhalb von wenigen tausendstel Sekunden vor 23 Milliarden Jahren entstanden sein soll! Denn aus Nichts, kann nichts entstehen, wie bereits eine einfache logische Überlegung erkennen lässt. Eher wird es wohl so sein, dass es sich beim Universum um einen kontinuierlichen pulsierenden Prozess der Expansion und Implosion von Materie handelt.
    Siegfried Marquardt, Königs Wusterhausen

  • #2

    Seelenlachen (Donnerstag, 11 Februar 2016 17:47)

    https://m.youtube.com/watch?v=mtCAmb_Mg1k

  • #1

    Seelenlachen (Donnerstag, 11 Februar 2016 16:55)

    http://m.faz.net/aktuell/eilmeldung-nachweis-von-gravitationswellen-ist-erstmals-gelungen-14064956.html#GEPC;s6


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