Physiker will Gravitationswellen manipulieren – mit Laserlicht
Physiker Ralf Schützhold plant ein Experiment, um Gravitationswellen mit Lasern zu manipulieren. Ziel: Enthüllung der Quantennatur der Schwerkraft.
Skizze des interferometrischen Aufbaus für Licht unter dem Einfluss einer Gravitationswelle.
Foto: B. Schröder/HZDR
Ein theoretischer Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf hat ein Experiment konzipiert, das die Manipulation von Gravitationswellen ermöglichen soll. Durch den gezielten Einsatz von hochintensiven Lasern und speziellen Spiegelanordnungen könnte Energie zwischen Licht- und Gravitationswellen ausgetauscht werden. Dies würde nicht nur die Wellen selbst verändern, sondern könnte auch erste Hinweise auf die Quantennatur der Schwerkraft liefern.
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Einem großen Rätsel auf der Spur
Es ist eines der großen ungelösten Rätsel der modernen Physik: Wie lassen sich die Quantenmechanik und die Allgemeine Relativitätstheorie vereinen? Während wir dank Albert Einstein wissen, dass Masse die Raumzeit krümmt, fehlt uns noch immer der experimentelle Beweis für die Quantennatur dieser Kraft.
Nun schlägt Prof. Ralf Schützhold vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) einen neuen Weg ein. Er will Gravitationswellen nicht nur passiv messen, wie es bisherige Observatorien tun. Er will sie aktiv manipulieren. Sein Werkzeug dafür: Hochleistungs-Laserlicht.
Erster Nachweis von Gravitationswellen gelang 2015
Albert Einstein sagte die Existenz von Gravitationswellen bereits vor über hundert Jahren voraus. Der direkte Nachweis gelang jedoch erst 2015. Wenn extrem massereiche Objekte im All interagieren – etwa wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen –, senden sie Wellen aus. Diese stauchen und strecken den Raum minimal. Sie rasen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum.
Bisher beschränkte sich die Wissenschaft darauf, diese winzigen Signale aufzufangen. Das neue Konzept, das Schützhold im Fachjournal Physical Review Letters vorstellte, geht einen entscheidenden Schritt weiter. Es beschreibt einen Mechanismus, der eine direkte Wechselwirkung zwischen Licht und Schwerkraft erzwingt.
Energieaustausch im Fokus
Die theoretische Grundlage des Experiments ist komplex, aber das Prinzip lässt sich vereinfacht darstellen. „Die Schwerkraft wirkt auf alles, auch auf Licht“, sagt Schützhold. Diese fundamentale Erkenntnis ist nicht neu. Wir beobachten sie etwa beim Gravitationslinseneffekt, wo massive Galaxienhaufen das Licht ferner Sterne ablenken. Neu ist der Ansatz, diesen Effekt im Labor umzukehren und gezielt zu nutzen.
Schützhold schlägt vor, winzige Energiepakete zwischen einer Lichtwelle und einer Gravitationswelle auszutauschen. Das Verfahren ähnelt prinzipiell der Funktionsweise eines Lasers, nur dass hier nicht Atome, sondern die Raumzeit selbst involviert ist. Dabei gibt es zwei Szenarien:
- Stimulierte Emission: Die Lichtwelle gibt Energie an die Gravitationswelle ab. Das Licht verliert Energie, seine Frequenz sinkt minimal (Rotverschiebung). Die Gravitationswelle gewinnt Energie hinzu.
- Absorption: Die Lichtwelle nimmt Energie von der Gravitationswelle auf. Die Frequenz des Lichts steigt (Blauverschiebung), die Gravitationswelle wird schwächer.
In beiden Fällen geht es um diskrete Energieportionen. Forschende nennen diese hypothetischen Teilchen Gravitonen. Sie sind die Austauschteilchen der Gravitation, analog zu den Photonen beim Elektromagnetismus. Bislang existieren Gravitonen nur in theoretischen Modellen. Ein direkter Nachweis fehlt. Schützholds Experiment zielt genau darauf ab. „Dadurch würde die Gravitationswelle ein kleines bisschen intensiver werden“, erklärt der Physiker den Fall der Energieübertragung auf die Welle.
Eine Million Kilometer im Labor
Die technische Herausforderung liegt in der Schwäche der Gravitation. Im Vergleich zu anderen Grundkräften ist sie extrem schwach. Um einen messbaren Effekt zu erzielen, benötigt man gewaltige Dimensionen oder extrem lange Wechselwirkungszeiten. Schützhold hat das Szenario durchgerechnet. Ein einfacher Laserstrahl reicht nicht aus.
Das Experiment erfordert eine Vorrichtung, in der das Licht so lange wie möglich mit der Gravitationswelle interagiert. Die Lösung ist eine Art optische Falle. Zwei extrem präzise Spiegel stehen sich in einem Abstand gegenüber. Ein Laserimpuls wird zwischen ihnen hin- und hergeworfen. Schützhold kalkuliert mit bis zu einer Million Reflexionen.
Das stellt enorme Anforderungen an die Ingenieurskunst. Gehen wir von einer realen Anlagengröße von etwa einem Kilometer aus, summiert sich die Strecke, die das Licht zurücklegt, auf eine Million Kilometer. Das entspricht etwa der 2,5-fachen Entfernung zum Mond. Nur durch diese enorme optische Weglänge erhöht sich die Wahrscheinlichkeit signifikant, dass die Lichtquanten (Photonen) mit den hypothetischen Gravitonen interagieren.
Das Interferometer als Messinstrument
Wie aber misst man eine Änderung, die selbst bei diesem Aufwand winzig bleibt? Hier greifen die Physikerinnen und Physiker auf bewährte Technik zurück: die Interferometrie. Das Prinzip kennen Ingenieure aus der Präzisionsmesstechnik. Man teilt einen Lichtstrahl in zwei Hälften auf. Ein Teilstrahl durchläuft die Wechselwirkungszone mit der Gravitationswelle. Der andere dient als Referenz.
Wenn der erste Strahl nun Energie an die Gravitationswelle abgibt oder von ihr aufnimmt, ändert sich seine Frequenz. Treffen beide Strahlen am Ende wieder aufeinander, überlagern sie sich. Hat sich die Frequenz eines Strahls geändert, verschiebt sich das Interferenzmuster.
Aus diesem Muster können Forschende Rückschlüsse auf die stattgefundene Energieübertragung ziehen. „Der Prozess kann auch umgekehrt ablaufen“, fährt Schützhold fort. Damit meint er, dass man sowohl die Verstärkung als auch die Abschwächung der Gravitationswelle nachweisen könnte.
Parallelen und Unterschiede zu LIGO
Technikinteressierte Leserinnen und Leser werden bei der Beschreibung der Anlage an LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) denken. Tatsächlich gibt es Parallelen. LIGO nutzt ebenfalls kilometerlange Vakuumröhren und Laser, um Gravitationswellen zu finden.
Der Unterschied liegt im Detail:
- LIGO misst eine Längenänderung. Die durchlaufende Gravitationswelle staucht einen der vier Kilometer langen Arme um Bruchteile eines Atomkern-Durchmessers (Attometer-Bereich). Das Licht dient hier nur als Maßstab.
- Schützholds Konzept misst eine Frequenzänderung. Das Licht dient hier als Reaktionspartner. Es tauscht Energie aus.
Dennoch profitiert der neue Vorschlag massiv von den Erfahrungen mit LIGO. „Von der ersten Idee bis zum Experiment können mehrere Jahrzehnte vergehen“, sagt Schützhold. Doch da Technologien wie hochempfindliche Spiegel, stabile Laser und Vakuumsysteme durch die Gravitationswellen-Astronomie bereits weit entwickelt sind, könnte die Realisierung schneller gelingen als bei völlig neuen experimentellen Ansätzen.
Quantenverschränkung für mehr Präzision
Um die Empfindlichkeit weiter zu steigern, setzt das Konzept auf Methoden der Quantenoptik. Herkömmliches Laserlicht unterliegt einem statistischen Rauschen, dem sogenannten Schrotrauschen. Bei extrem schwachen Signalen kann dieses Rauschen die Messung überlagern.
Die Lösung könnten verschränkte Photonen sein. Diese Lichtteilchen sind quantenmechanisch so miteinander gekoppelt, dass ihre Eigenschaften voneinander abhängen – selbst über Distanzen hinweg. Nutzt man solches „gequetschtes Licht“ (Squeezed Light), lässt sich das Rauschen in einer Messgröße auf Kosten einer anderen reduzieren. „Dann könnten wir sogar Rückschlüsse auf den Quantenzustand des Gravitationsfeldes selbst ziehen“, sagt Schützhold.
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