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David Andriot „Mich interessiert, ob etwas dran ist an den Rechenspielen“

Der Potsdamer Astrophysiker David Andriot über seine Suche nach Extradimensionen und die eigene Motivation.

David Andriot
Foto: Gerd Engelsmann

Am 28. Juni berichtete das Max Planck Institut für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm von einer Arbeit zweier seiner Wissenschaftler. David Andriot und Gustavo Lucena Gómez machen den Vorschlag, Gravitationswellendetektoren zum Aufspüren sogenannter Extradimensionen zu verwenden.

Den Aufsatz der beiden, „Signatures of extra dimensions in gravitational waves“, veröffentlicht im „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics“, verstand ich nicht, darum rief ich David Andriot an und bat ihn um Aufklärung. Beim Gespräch in seinem ganz und gar unbewohnt wirkenden Büro steht er viel auf und führt die Bewegung der Extradimensionen oder z. B. die Bewegung der Raumzeit an einem Badehandtuch – „große Massen dellen sie ein!“ – vor. Einmal geht er zur mit vielen Gleichungen beschriebenen Tafel und zeichnet eine Welle.

1915 entwickelte Albert Einstein das Konzept der Raumzeit. Daraus folgerte er, dass es Gravitationswellen geben müsse. Im September 2015 wurden sie entdeckt. Was ist die Raumzeit? Was sind Gravitationswellen?
Ohne Einsteins Raumzeit würde Ihr GPS nicht funktionieren. Mit der Newtonschen Physik wären sie immer am falschen Ort. Erst die Berücksichtigung der Einsteinschen Korrekturen an Newtons Berechnungen macht das GPS möglich. Schon die im Vergleich zu den riesigen Dimensionen des Universums doch winzigen Distanzen der Satelliten zur Erde wirken sich in einer minimalen Krümmung der Raumzeit aus, die beachtet werden muss, wenn Sie mit ihrem Auto exakt vor der Hausnummer 105 der Alten Jakobstraße stehen wollen.

Was ist die Raumzeit? Was hat sie mit der Gravitation zu tun?
Einsteins Idee war: Raum und Zeit sind nicht statisch, sondern relativ. Die drei Raumdimensionen und die der Zeit verändern sich je nach der Größe der Massen, mit denen sie zu tun haben. Raum und Zeit sind nicht der Rahmen, in dem sich Gegenstände und Energien bewegen, sondern deren Interaktionen konstituieren und verändern nicht nur einander, sondern auch Raum und Zeit selbst. Große Massen senken sich in die Raumzeit wie meine Faust hier in das Badetuch. Was in der Nähe ist, wird nicht von einer geheimnisvollen Kraft – der Gravitation – angezogen, sondern rutscht der Masse in die Delle, die sie in die Raumzeit schlägt, hinterher. 

Aber da ist doch gerade kein Tuch, auf dem die Dinge runterrutschen.
Das ist richtig. Da ist das Gravitationsfeld. Und sonst manchmal nichts. Aber dieses Feld verhält sich so, wie ich das mit dem Tuch beschrieben habe.

Sie machen das für die Doofen. Ihnen genügen doch die Berechnungen.
Nein. Ich versuche mir auch vorzustellen, was passiert. Obwohl ich natürlich weiß, dass unsere Gehirne, unsere Vorstellungskraft evolutionär nicht für das Konzept „Raumzeit“ entwickelt wurden. 

Wie kommen die Gravitationswellen ins Spiel?
Werfen Sie einen Stein ins Wasser. Es bilden sich Wellen. Nichts anderes passiert mit Protonen, Sternen und Galaxien. Ihre Bewegungen kräuseln mehr oder weniger die Raumzeit. Newton sah das anders. Bei ihm war die Gravitation eine Instantkraft, die zwischen allen Massen wirkt. Sie war sofort überall. Sein System war statisch. Bei Einstein breitet sich das Gravitationsfeld selbst und alles, was darin sich verändert, aus wie das Licht. 

Das also sind die Gravitationswellen. Wieso dauerte es so lange, bis man sie entdeckte?
Es sind minimale Veränderungen. Man muss also erst einmal nach riesigen Ereignissen Ausschau halten, und dann muss man Instrumente entwickeln, die an Empfindlichkeit alles übertreffen, was es bisher gab. Am 14. September 2015 fingen Wissenschaftler in Louisiana Wellen ein, die die Kollision zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren ausgesandt hatte. Sie taten das mit einem Laser-Interferometer, der die Überlagerung von Wellen für die Präzisionsmessung nutzt. Dabei werden Spiegel verwendet, die winzigste Vibrationen vermerken. Am 14. September schwankte die Spiegelposition um den hundertstel Durchmesser eines Wasserstoff-Atomkerns. Das ist so, als würde man die Strecke zwischen unserer Erde und der Sonne auf eine Haaresbreite genau bestimmen. 

Das geht dank dem Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium, kurz Ligo. 1992 gegründet, hat es zwei Standorte, kooperiert aber mit Hunderten von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt. 2015 wurden dann endlich Gravitationswellen entdeckt, ein 0,5 Sekunden kurzes Signal.
Man darf nicht vergessen: Gravitationswellen werden nicht entdeckt, wie man Amerika entdeckte. Es ist mit sehr viel und sehr komplizierter Rechenarbeit verbunden. 

Jetzt machen Sie alles noch komplizierter. Sie wollen die Detektoren nutzen, um Extradimensionen auf die Spur zu kommen?
Die Spiegel, die winzigste Vibrationen vermerken, könnten, so glauben wir, noch kleinere zusätzliche Veränderungen registrieren. Wir haben nach einer Reihe von Berechnungen nämlich den Verdacht, dass gewissermaßen auf der Veränderung durch die Gravitationswelle noch eine zweite ist, ein zusätzliches Kräuseln der Wellen. Das halten wir für die Einwirkung einer Extradimension. Wir haben ausgerechnet, wann und wie solche Kräuselungen von den Spiegeln erfasst werden können. Jetzt kommt alles darauf an, ob sie auch wirklich auftreten oder nicht. Diese Kräuselungen haben im Englischen den schönen Namen „breathing mode“, Atmungsmodus. 

Die Raumzeit atmet!
Sozusagen.

Auf dieses Atmen warten Sie?
Ja.

Mehr haben Sie nicht mehr zu tun?
Ein paar technische Änderungen wären gut. Die beiden Ligo-Detektoren haben jeder zwei Arme. Aber die stehen alle sehr ähnlich. Vom Gravitationswellendetektor Virgo in Italien wird bald eine neue Version aufgestellt werden. Da haben die Arme dann andere Positionen. Dadurch bekommt man mehr Messwerte, man hat dann mehr, das man mit den Berechnungen vergleichen kann. 

Wenn die alle atmen, dann jubeln Sie?
Es würde mich freuen.

Sie haben dann Extradimensionen nachgewiesen?
Nein. Wir haben dann mit Hilfe einer Theorie etwas vorausgesagt, das tatsächlich beobachtet wurde.

Etwas, das Einsteins Berechnungen korrigiert.
Ja. Aber das sagt nicht, dass unsere Theorie stimmt. Das Kräuseln könnte ja noch ganz andere Ursachen und gar nichts mit Extra-Dimensionen zu tun haben. Darüber wird dann gestritten werden. Man wird nach anderen Modellen suchen, die die zusätzliche – wenn Sie so wollen – Atemfrequenz der Gravitationswellen erklären können. Dann wird man wieder neu messen und die Detektoren umstellen.

Wie oft kommt es zu Gravitationswellen?
Unentwegt. Aber die meisten sind winzig. Solche, die wir derzeit wahrnehmen können, treten vielleicht alle zwei, drei Monate auf. Wir hoffen natürlich darauf, bald empfindlichere Detektoren zu haben, die auch kleinere Wellen registrieren können. Es gibt noch einen zweiten Effekt in unserem Modell. Je kleiner die Extradimensionen, desto höher ist die Frequenz der von ihnen erzeugten Gravitationswellen. Selbst wenn wir von einer doch sehr großen Extradimension von 0,1 Millimetern ausgehen, sind wir schon bei eintausend Milliarden Hertz. Ligo erfasst gerade mal Frequenzen bis zehntausend Hertz. Auch die neuen Detektoren werden da nicht weiter helfen. Diesen zweiten von uns beschriebenen Effekt werden wir also wohl niemals beobachten können. Es sei denn, jemand liest dieses Interview und sagt: Lasst uns diesen Detektor bauen! Und schafft es dann auch noch! Ich würde mich sehr freuen. 

Wieso spielen nur die Gravitationswellen eine Rolle bei der Aufdeckung von Extradimensionen?
Wir wissen nicht, wie die starke, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung mit der Raumzeit zusammenhängen. Wir können da also keinen Zusammenhang konstruieren. Die Gravitation aber ist in der Einsteinschen Theorie eins mit der Raumzeit. Wenn also Extradimensionen mit unserer Welt wechselwirken, dann werden wir das zuerst bei der Gravitation merken. 

Die Extradimensionen hielt ich für eine Leidenschaft für Mathematiker.
Das ist nicht nur falsch. Es gibt viele, die sich ausschließlich mit Extradimensionen, mit Strings und Branes beschäftigen. Es gibt da sehr viel zu rechnen und viel zu entdecken. Aber ich bin Physiker und mich interessiert dann doch, ob auch etwas dran ist an unseren Rechenspielen. 

Interview: Arno Widmann

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