Year of Physics

Unesco-Weltjahr der Physik 2005

Albert Einsteins Probeanstellung als Experte dritter Klasse am Patentamt in Bern mit einem Jahresgehalt von 3500 Schweizer Franken , die er damals bereits seit zwei Jahren innehatte, wurde im Jahre 1904 schließlich in eine Dauerstellung umgewandelt. Zum Experten zweiter Klasse wurde er jedoch erst am 1. April 1906 befördert.

Im Jahre 1905, dessen hundertjährige Wiederkehr wir nun feiern, reichte Einstein dann bei der Zeitschrift »Annalen der Physik« im Leipziger Verlag von Johann Ambrosius Barth fünf seiner wichtigsten wissenschaftlichen Arbeiten ein. Am 17. März beendete er das Manuskript über die Lichtquantenhypothese, die ganz wesentlich zu den Grundlagen der Quantenmechanik beiträgt ­ und für die er 1921 den Physik-Nobelpreis erhielt (Bild: Titelseite). Experimentell hatte den Fotoeffekt, um dessen theoretische Beschreibung es sich hier hauptsächlich handelt, Heinrich Hertz 1887 entdeckt. Im Mai 1905 folgte die für die statistische Physik grundlegende Arbeit über die Brownsche Bewegung, im Juni traf dann die spezielle Relativitätstheorie bei den Annalen ein.

Eine zusätzliche, im September fertiggestellte Schrift mit dem Titel »Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?« erweitert die Erkenntnisse zur speziellen Relativität ganz wesentlich um die berühmte Formel E=mc^2: Die Masse eines Körpers ist ein Maß für dessen Energieinhalt ­ eine weltbewegende, damals völlig neue Erkenntnis, die in den Annalen auf nur drei Druckseiten präsentiert wurde, und die Einstein selbst kommentierte: »Es ist nicht ausgeschlossen, daß bei Körpern, deren Energieinhalt in hohem Maße veränderlich ist (z.B. bei den Radiumsalzen), eine Prüfung der Theorie gelingen wird.«

Im Dezember traf eine zweite Arbeit zur Brownschen Bewegung ein. Bei diesem fundamentalen Problem geht es um die theoretische Beschreibung der durch Molekülstöße verursachten Zufallsbewegungen eines makroskopischen Teilchens auf einer Flüssigkeitsoberfläche, die der schottische Botaniker Robert Brown 1827 bei der Bewegung von Blütenpollen an der Wasseroberfläche als Erster mit dem Mikroskop untersucht hatte.

Einstein leistete also in einem einzigen Jahr, ohne Anstellung an einer Universität oder einem Forschungsinstitut, wesentlich im Alleingang, grundlegende Beiträge zur statistischen Physik und zur Quantenmechanik, und er begründete die Relativitätstheorie. Die Quantentheorie führte er insbesondere elf Jahre später fort: 1916 erschien zunächst eine Schrift zu den Koeffizienten der spontanen und induzierten Emission und Absorption, die grundlegend für die Physik des erst sehr viel später (1960 Theodore Maiman) konstruierten Lasers war. Es folgte eine neue Ableitung des Planckschen Strahlungsgesetzes, mit dessen Formulierung 1900 durch Max Planck die Quantenphysik ihren Anfang genommen hatte, und schliesslich ­ innerhalb von acht Monaten ­ eine Arbeit zu Energie und Impuls von Lichtquanten. In diese Zeit fallen auch die später immer wieder aufgegriffenen Äußerungen Einsteins über sein Unbehagen (»Gott würfelt nicht«) bezüglich der großen Rolle des Zufalls in der Quantenphysik.

Die Relativitätstheorie hat er kontinuierlich weiterentwickelt. Schon 1907 fand er das Äquivalenzprinzip für gleichförmig beschleunigte mechanische Systeme, erweiterte es auf elektromagnetische Systeme, berechnete die Rotverschiebung im Gravitationsfeld und die Lichtablenkung an massiven Körpern ­ die er aber noch für unbeobachtbar hält. Erst 1909 wird er Professor an der Universität Zürich, zwei Jahre später in Prag. Dort erkennt er, dass die Lichtablenkung an der Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis beobachtbar sein sollte.

Bald nach seiner Rückkehr nach Zürich an die ETH entwickelte er die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie, einer neuartigen Theorie der Gravitation. Hatte Isaac Newton die Gravitation noch als instantane Fernwechselwirkung beschrieben, legt Einstein jetzt ein völlig neues Fundament, das die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit (mit Lichtgeschwindigkeit) berücksichtigt, und die Krümmung der Raumzeit durch Materie beschrieb.

In Göttinger Vorlesungen überzeugt er 1915 David Hilbert und Felix Klein von seiner Theorie, im darauffolgenden Jahr geht seine grundlegende Arbeit über allgemeine Relativitätstheorie bei den Annalen ein. Wenig später entwirft er auf ihrer Basis seine erste Schrift über Gravitationswellen, nach denen Physiker heute mit großen Interferometern suchen.

Die Voraussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zur Lichtablenkung im Schwerefeld der Sonne wurden im Prinzip bereits 1919 bei Sonnenfinsternis-Expeditionen bestätigt ­ das begründete Einsteins Weltruhm. Sie wurden später ­ ab 1969 - mit sehr viel besserer Genauigkeit durch Messungen der Ablenkung von Radiowellen von Quasaren im Gravitationsfeld der Sonne endgültig verifiziert. Zusammen mit anderen klassischen und modernen Präzisionstests ­ so der Periheldrehung des Merkur, der Periastron-Drehung in engen Neutronen-Doppelsternen, oder der Rotverschiebung im Gravitationsfeld ­ lassen sie keinen Zweifel an der Gültigkeit der Theorie bestehen.

Für die Aussendung von Gravitationswellen aus engen oder verschmelzenden Doppelsternsystemen, Paaren von schwarzen Löchern oder Supernova-Explosionen von Sternen gibt es bis heute aber nur indirekte Anzeichen bei Neutronen-Doppelsternen aus genauen Messungen der Umlaufperioden, die sich durch die Emission der Wellen verkleinern. Umso wichtiger wäre ein Erfolg der terrestrischen Experimente GEO600, VIRGO, LIGO und TAMA, und des kommenden Weltraumexperimentes Lisa, beim direkten Nachweis von Gravitationswellen.

Das folgende Gespräch mit Karsten Danzmann vom Albert-Einstein Institut in Potsdam und Hannover beleuchtet die Entwicklung von den 1905er Arbeiten hin zu den heutigen Bemühungen, Gravitationswellen durch Laser-Interferometrie nachzuweisen.

Wolschin: Im Jahre 1905 publizierte Einstein nicht nur jeweils zwei Arbeiten zur speziellen Relativitätstheorie und zur Brownschen Bewegung, sondern auch eine zur Quantenmechanik, zum Fotoeffekt. Was war aus Ihrer Sicht die grundlegende Bedeutung dieser Arbeit zur Quantenmechanik?

Danzmann: Einstein ist ja vorwiegend für die Gleichung E=mc^2 bekannt, und die wenigsten Menschen wissen, dass er auch auf mindestens zwei oder drei anderen Gebieten ebenso fundamentale Beiträge geleistet hat. Seine Arbeiten zu den Grundlagen der Quantenmechanik sind vielleicht genauso wichtig wie die zur Relativitätstheorie, obwohl er selber immer Probleme mit der Quantenmechanik hatte - die Konsequenzen aus dem, was er selbst auf diesem Gebiet mit begonnen hatte, wollte er nie so recht akzeptieren. Der Fotoeffekt ist ein Klassiker auf diesem Feld. Ich benutze ihn in der Vorlesung immer noch als eine der Säulen der Quantentheorie, weil hier auf so wunderbar einfache und schöne Weise gezeigt wird, dass Licht nicht in kontinuierlichen Mengen zwischen dem Strahlungsfeld und Gegenständen ausgetauscht werden kann. Man braucht nur wenige einfache Grundgedanken und einfache Mathematik, die jeder Fünftklässler beherrschen kann, und kann sofort zeigen, dass die Auslösung von Ladungen aus Oberflächen bei Bestrahlung mit Licht nur dann sinnvoll erklärt werden kann, wenn man annimmt, dass das Licht von den Atomen in der Oberfläche nicht in beliebigen Beträgen aufgenommen werden kann, sondern nur in ganzzahligen Vielfachen einer kleinsten Einheit. Diese kleinste Einheit bestimmt dann auch den Energieinhalt, der von der Farbe des Lichtes abhängt. Beide Dinge sagen völlig klar, dass Licht in Quanten ­ Photonen ­ kommt. Alles andere folgt von selbst.

W: Elf Jahre nach diesem Grundstein folgten 1916 drei weitere Publikationen Einsteins zur Quantenteorie, zunächst zur spontanen und induzierten Lichtemission, dann zum Strahlungsgesetz, und schließlich zu Energie und Impuls von Photonen. Vor allem die erste Arbeit ist interessant im Hinblick auf die spätere Entwicklung des Lasers, den Sie ja bei den Experimenten zur Gravitationswellen-Interferometrie einsetzen. Was ist ihre Bedeutung für die darauffolgende Entwicklung?

D: Der Laser ist heute ein so selbstverständliches Werkzeug für uns alle geworden, dass wir gar nicht mehr darüber nachdenken, was er für bemerkenswerte physikalische Eigenschaften hat, was eigentlich in einem Laser vor sich geht. Nachdem Einstein die Grundlagen gelegt hatte, hätte man den Laser eigentlich schon voraussagen können. Nach intensivem Studium seiner Arbeit von 1916 hätte man in der Lage sein müssen vorherzusagen, wie ein Laser funktioniert, wie man ihn ungefähr bauen muss und was er für Eigenschaften haben sollte. Einstein geht hier von ganz simplen Grundgedanken aus. Wenn man akzeptiert hat, dass Materie und Licht nur dadurch in Verbindung treten können, dass sie in Paketen Energie austauschen, die man Photonen nennt, dann ist die nächste Frage: Was sind denn die möglichen Elementarprozesse in diesem Austausch? Wie können das Licht und Atome miteinander wechselwirken? Das muss in zwei Richtungen gehen: Atome müssen Licht aufnehmen können, also ein Photon absorbieren, und sie müssen auch Licht aussenden können, also ein Photon emittieren ­ denn Dinge leuchten ja offensichtlich. Durch eine einfache Gleichgewichtsbetrachtung zwischen einem Strahlungsfeld und einem Atom konnte Einstein zeigen, dass dies allein inkonsistent ist und es deshalb noch einen dritten Prozess geben muss, den man später stimulierte Emission nannte. Sie wird dadurch ausgelöst, dass bei Emission bereits ein hereinkommendes Photon da ist, welches das Atom dazu anregt, ein identisches Photon nochmals auszusenden und so »kohärentes« Licht aufzubauen. Sobald man diesen Prozess hat, lässt er sich lawinenartig fortsetzen: aus einem Photon werden zwei, aus zweien vier, und so fort. Das muss offensichtlich zu einem hochintensiven Lichtstrahl führen, wenn man nur genügend Atome im richtigen Zustand hinlegt und ihnen die Möglichkeit gibt, mit Licht wechselzuwirken. Im Grunde genommen ist also Einstein der Erfinder des Lasers.

W: Ja, aber konkret schufen die Grundlagen des Lasers dann erst Wissenschaftler wie Charles Townes in den 1950/60er Jahren. Der erste Laser wurde 1958 im Physical Review beschrieben, der Bau des ersten Rubin-Einkristall-Lasers gelang 1960. Die experimentelle Entwicklung folgte auf diesem Gebiet der Einsteinschen Grundlegung erst mit 44jähriger Verspätung. Das ist übrigens auch auf einem anderen, auch von Einstein begründeten Gebiet ganz ähnlich, der Gravitationswellenforschung. Er hat sie ebenfalls 1916 vorausgesagt,und erst jetzt versuchen Sie und andere Experimentalisten, diese Wellen direkt nachzuweisen. Dabei benutzen Sie Laser zur extrem genauen interferometrischen Abstandsmessung zwischen zwei Testmassen unter dem Einfluss einer Gravitationswelle. Sie haben dazu das Experiment GEO600 in Hannover aufgebaut. Was ist das Prinzip der Messung?

D: Wir versuchen mit GEO600 Gravitationswellen nachzuweisen, um etwas über die dunkle Seite des Universums zu lernen, die sich vorwiegend durch Gravitation, also durch Schwerkrafteffekte, bemerkbar macht. Einstein hat ja den Begriff der Schwerkraft auf eine neue Basis gestellt und uns gezeigt, dass »Schwerkraft« keine Kraft ist, sondern eine Eigenschaft des Raumes: Jeder Körper dellt Raum und Zeit in seiner Umgebung leicht ein, und wenn die Körper sich bewegen, breiten die Dellen sich langsam aus, und das sieht aus wie eine Welle. Solche Wellen wollen wir mit Hilfe eines Michelson-Interferometers nachweisen. Das ist ein im Prinzip recht einfaches Gebilde, das aus zwei senkrecht zueinander angeordneten Vakuumrohren besteht, in dem Laserstrahlen hin- und herlaufen. Mit dieser Anordnung können wir sehr präzise Änderungen in der Differenz zwischen der beiden Armlängen nachweisen, die zum Beispiel dadurch entstehen, dass solch eine Delle in der Raumzeit vorbeiläuft und den einen Arm leicht quetscht, den anderen dehnt.

W: Die Messung mit zahlreichen Störquellen ­ seismisches und thermisches Rauschen, Quantenfluktuationen. Wie weit sind Sie inzwischen bei der Rauschunterdrückung, auch durch Kühlen der Anlage?

D: Wir haben GEO600 das erste Mal im Jahre 2001 in Betrieb genommen und ernsthafte Abstandsmessungen im Jahre 2002 begonnen. In den letzten zwei Jahren hat sich die Empfindlichkeit um einen Faktor 5000 verbessert . Das hört sich gewaltig an, ist aber normal; es gehört zur Art und Weise, wie solche Interferometer betrieben und verbessert werden. Wir gehen davon aus, dass wir im Laufe dieses Jahres ((2004)) etwa noch einen weiteren Faktor zehn an Verbesserung dazulegen werden, so dass wir mit ernsthafter Datenaufnahme am Ende dieses Jahres fortschreiten werden.

W: Das bedeutet auch, dass das Prinzip der Überhöhung des Signals gegenüber dem Rauschen durch »Signal-Recycling« inzwischen funktioniert?

D:. Signal-Recycling ist eine Technik, die nicht nur die Intensität des umlaufenden Laserlichtes resonant überhöht. Wir erreichen hier Überhöhungsfaktoren von etwa 1000, schicken also vorne ins Interferometer einige Watt an Laserleistung, im Interferometer laufen dann einige Kilowatt an Laserleistung um. Wir machen das gleiche auch noch mit dem Signal, das dem Laserlicht aufmoduliert wird: Es wird wieder in die Anlage hineingeschickt und im Interferometer resonant überhöht. Diese Technik haben wir 2003 installiert, sie ist inzwischen perfektioniert und funktioniert hervorragend und hat die Empfindlichkeit gleich auf Anhieb um das Zehnfache gesteigert, und das lässt sich noch weiter treiben.

W: Trotzdem sind Sie bei den niedrigen Frequenzen nicht ganz so empfindlich wie LIGO, die große amerikanische Anlage mit 4-Kilometer-Armen, weil die GEO- Armlänge kürzer ist. Umso wichtiger ist für den wissenschaftlichen Messbetrieb die Kopplung mit der LIGO-Messung ­ das geschieht bereits?

D: Ja, die Datenströme von GEO und LIGO werden gemeinsam aufgezeichnet, sehen fast identisch aus, und werden gemeinsam ausgewertet.

W: In einem nächsten Schritt werden Sie die hochentwickelte optische Technik von GEO dann auch bei LIGO einsetzen, um dort die Empfindlichkeit weiter zu verbessern. Ist das bereits in konkreter Vorbereitung?

D: An »Advanced LIGO« wurde über die letzten drei Jahre intensiv gearbeitet ­ allerdings theoretisch. Das gesamte Design ist praktisch fertig, in Modellrechnungen geprüft, es kann nun installiert und erprobt werden. Das wird zunächst in Prototyp-Experimenten geschehen, dann aber auch direkt in LIGO. In der Hinsicht sind gute Fortschritte gemacht worden, Gravitationswellenforschung ist ihrer Natur nach immer internationale Zusammenarbeit . Aber auch auf der formalen Seite hat Advanced LIGO Fortschritte gemacht, denn vor einigen Wochen hat das National Science Board in den USA die Pläne genehmigt, und damit ist es jetzt nur noch eine Frage der Zeit, wann das Geld ins Budget eingestellt wird.

W: Nach Advanced LIGO wird auch LISA kommen, das Weltrauminterferometer mit fünf Millionen Kilometer Armlänge zur Messung von Gravitationswellen mit sehr niedrigen Frequenzen, die Anlagen auf der Erde nicht nachweisen können. Wann ist der Start geplant?

D: Wir müssen unterscheiden zwischen Raketenstart, und Start des Projektes. Der Raketenstart ist für 2013 geplant, hängt allerdings davon ab, dass die Vorläufermission SMART-2 zur Demonstration der Technologie gegen Ende 2008 oder spätestens in 2009 starten kann. Die erste Vorläufermission SMART-1 ist am 15.11.04 nach einjähriger Flugzeit am Mond angekommen und wir hoffen, dass SMART-2 genauso erfolgreich wird.

W: Vor einigen Jahren hielten Sie die Verschmelzung von zwei stellaren schwarzen Löchern für die wahrscheinlichste Quelle von terrestrisch ­ auf der Erde, mit GEO600 - nachweisbaren Gravitationswellen. Hat sich an dieser Einschätzung etwas geändert?

D: Nein, ich glaube immer noch, dass zwei kleine schwarze Löcher, oder ein schwarzes Loch und ein Neutronenstern, die besten Kandidaten sind.

W: Und für die Verschmelzung von großen, "supermassiven" schwarzen Löcher in Galaxien setzen Sie die Hoffnungen auf LISA?

D: Allerdings, dazu brauchen wir LISA ­ die wirklich tiefen Töne können wir nur im Weltraum hören. Je massereicher die Objekte sind, desto langsamer bewegen sie sich, und die großen schwarzen Löcher haben Millionen bis hunderte von Millionen Sonnenmassen.

Abbildungen: -Titelseite Fotoeffekt-Arbeit aus den Annalen der Physik 1905

- Laser: Apparatur Theodore Maiman 1960

- GEO600 und/oder

- LIGO (LISA folgt bei B. Schutz/ April 2005)

Siehe Spektrum d. Wissenschaft 3 (2005) für den redigierten und illustrierten Artikel.

return