Physiker will Gravitationswellen des Urknalls empfangen
Verzerrung der Raumzeit soll in Quantenflüssigkeiten ein elektromagnetisches Feld erzeugen
Die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die sich wellenartig ausbreiten. Als einzige realistische direkte Nachweismöglichkeit solcher Verzerrungen galt bisher die Messung einer winzigen Abstandsänderung zwischen zwei Raumpunkten. Doch Raymond Chiao von der Universität von Kalifornien in Berkeley meint, dass die von den Gravitationswellen verursachten Raumzeitverzerrungen in Quantenflüssigkeiten ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das groß genug ist, um es nachweisen zu können. Mit diesem Effekt ließe sich seiner Meinung nach sogar ein "Gravitationswellenradio" bauen , das Signale vom Urknall empfängt. Das berichtet der New Scientist (08.11.2003).
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Vor einem Jahr arbeitete Chiao noch daran, einen Supraleiter als Gravitationswellen-Sender und –Empfänger umzufunktionieren. Aufgrund einer Idee seines Studenten Daniel Solli hatte Chiao ausgerechnet, dass es in Supraleitern eine direkte Verbindung zwischen elektromagnetischen und Gravitationswellen gibt. Diesen Effekt wollte er zur Umwandlung von elektromagnetischen Wellen in Gravitationswellen und umgekehrt nutzen. Die Effektivität dieser Umwandlung schätzte er auf nahezu 100 Prozent.
Doch die experimentelle Umsetzung seiner theoretischen Berechnung lieferte kein Ergebnis. Ein Kollege machte Chiao auf seinen Denkfehler aufmerksam: Für die Kopplung zwischen elektromagnetischen und Gravitationswellen war eine bestimmte Komponente des Gravitationsfeldes verantwortlich, das so genannte Lense-Thirring-Feld. Dieses Feld hat aber eine für Radiosendungen denkbar ungünstige Eigenschaft - es ist nur direkt am Sender sehr groß. In bereits geringer Entfernung von der Quelle verschwindet es praktisch.
Zusammen mit seinem Kollegen Achilles Speliotopoulos verfolgt Chiao jetzt eine andere Idee. Der Spin - das quantenmechanische Gegenstück zum Drehimpuls - eines Teilchens wird in einer gekrümmten oder verzerrten Raumzeit vom Weg beeinflusst, den dieses Teilchen zurücklegt. Man kann sich den Spin als einen Pfeil vorstellen, der in eine bestimmte Richtung zeigt.
Stellen Sie sich vor, Sie halten einen Pfeil in der Hand, der genau nach vorne zeigt. Sie sollen jetzt einem geschlossenen Weg folgen, das heißt einem Weg, der Sie wieder zum Ausgangspunkt zurückführt. Zusatzbedingung: Sie dürfen sich nicht drehen.
Als den geschlossenen Weg wählen wir zunächst ein Rechteck. Sie gehen in der Ecke links hinten los nach links vorne. Von dort gehen Sie seitwärts nach rechts vorne, weiter rückwärts nach rechts hinten und seitwärts zurück nach links hinten. Der Pfeil, den Sie die ganze Zeit nach vorne gehalten haben, zeigt nach Ihrer Rückkehr immer noch in die gleiche Richtung. Eigentlich keine Überraschung.
Jetzt machen Sie eine Reise auf der Erdoberfläche. Sie gehen (oder fahren oder schwimmen) auf dem nullten Längengrad vom Nordpol bis zum Äquator, gehen dann seitwärts bis zum neunzigsten Längengrad und rückwärts zum Nordpol zurück. Obwohl Sie sich wieder nicht gedreht haben, hat die Richtung des Pfeils sich um neunzig Grad geändert. Der Grund: Die Erdoberfläche ist gekrümmt. Mit dieser Methode haben Sie die Krümmung der Erdoberfläche zweifelsfrei nachgewiesen.
Auf dem gleichen Prinzip beruht Chiaos neue Idee. Ein Unterschied: Die Quantenflüssigkeit, um deren Spin es geht, wird nicht durch einen gekrümmten Raum transportiert, sondern die Gravitationswellen befördern Raumverzerrungen durch die Quantenflüssigkeit hindurch. Außerdem interessiert Chiao nicht die Richtung des Spins, sondern Veränderungen seiner Phase - dies entspricht klassisch dem Drehwinkel. Dadurch erzeugt die Quantenflüssigkeit eine elektromagnetische Strahlung, die sich prinzipiell nachweisen lässt.
Nach seinen neuen Berechnungen konnte Chiao seinem gescheiterten Supraleiterexperiment doch noch etwas Positives abgewinnen. Aus dem Scheitern schließt er, dass sein neues Umwandlungsprinzip von elektromagnetischen in Gravitationswellen, das prinzipiell auch in Supraleitern wirken sollte, dort eine Effizienz von höchstens 0,0016 Prozent hat.
Chiao und Speliotopoulos werden ihre Berechnungen in einer der kommenden Ausgaben der Fachzeitschrift Physical Review D veröffentlichen. Sie hoffen, dass sich dann Experimentatoren finden, die ihre Theorie an Quantenflüssigkeiten überprüfen. Quantenflüssigkeiten haben einen sehr viel größeren Spin als die von Chiao untersuchten YBCO-Supraleiter. Das lässt darauf hoffen, dass die Effektivität der Umwandlung der beiden Wellenarten irgendwo zwischen den 0,0016 Prozent und den ursprünglich von Chiao postulierten 100 Prozent liegt.
Axel Tillemans
