Vor einer Milliarde Jahren (nun, geben oder nehmen) führten zwei Schwarze Löcher in einer weit entfernten Galaxie ein kosmisches Ballett Pas de Deux durch. Sie umkreisten sich und kamen unter dem Einfluss der gegenseitigen Schwerkraft allmählich näher, bis sie kollidierten und miteinander verschmolzen. Infolge einer solchen Kollision kam es zu einer kolossalen Energiefreisetzung, die der dreifachen Masse unserer Sonne entspricht. Die Konvergenz, Kollision und Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher brachte das umgebende Raum-Zeit-Kontinuum in Unordnung und sandte mit Lichtgeschwindigkeit starke Gravitationswellen in alle Richtungen.
Als diese Wellen unsere Erde erreichten (und es war am Morgen des 14. September 2015), verwandelte sich das einst mächtige Brüllen von kosmischen Ausmaßen in ein kaum hörbares Jammern. Dennoch zeichneten zwei mehrere Kilometer lange riesige Maschinen (Detektoren des Laserinterferometrischen Observatoriums für Gravitationswellen PIOGV) in den Bundesstaaten Louisiana und Washington leicht erkennbare Spuren dieser Wellen auf. Am Dienstag erhielten drei langjährige PIOGV-Projektleiter - Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne - für diese Leistung den Nobelpreis für Physik.
Diese Entdeckung braut sich seit langem zusammen, sowohl auf der menschlichen Zeitskala als auch auf der astronomischen Uhr. Dr. Weiss, Dr. Thorn, Dr. Barish und Kollegen arbeiten seit mehreren Jahrzehnten an ihrem Projekt. Tausende Menschen auf fünf Kontinenten waren an der Entdeckung von 2015 beteiligt. Dieses Projekt war ein Beispiel für eine strategische Zukunftsvision von Wissenschaftlern und Politikern, die fast so weit von uns entfernt ist wie diese kollidierenden Schwarzen Löcher.
In den späten 1960er Jahren unterrichtete Dr. Weiss einen Senior-Physikkurs am Massachusetts Institute of Technology. Einige Jahre zuvor hatte der Physiker Joseph Weber angekündigt, Gravitationswellen mit einem Instrument mit Aluminiumzylinderantennen erfasst zu haben. Weber konnte die Skeptiker jedoch nicht überzeugen. Dr. Weiss gab seinen Schülern eine Hausaufgabe, um einen anderen Weg zu finden, um Wellen zu erkennen. (Schüler, beachten Sie: Manchmal sind Hausaufgaben ein Vorbote eines Nobelpreises.) Was ist, wenn Sie versuchen, Gravitationswellen zu erkennen, indem Sie die kleinsten Änderungen der Interferenz von Laserstrahlen, die sich auf verschiedenen Wegen bewegen, sorgfältig untersuchen und dann im Detektor wieder verbinden?
Theoretisch sollten sich Gravitationswellen im Raum dehnen und zusammenziehen und sich durch ihn bewegen. Dr. Weiss schlug vor, dass eine solche Störung die Weglänge eines der Laserstrahlen ändern sollte, wodurch die beiden Strahlen die Synchronisation verlieren, wenn sie den Detektor erreichen, und aus dem Unterschied in der Desynchronisation die Interferenzmuster bestimmt werden können.
Die Idee war gewagt und revolutionär. Und das ist milde ausgedrückt. Um Gravitationswellen mit erwarteter Amplitude mithilfe der Interferenztechnik zu erfassen, mussten Physiker einen Entfernungsunterschied feststellen, der ein Teil von tausend Milliarden Milliarden betrug. Es ist, als würde man den Abstand zwischen Erde und Sonne auf der Skala eines einzelnen Atoms messen und gleichzeitig alle anderen Schwingungs- und Fehlerquellen überwachen, die ein derart schwaches Signal unterdrücken können.
Es überrascht nicht, dass Dr. Thorne, der in diesem Jahr einer der Nobelpreisträger wurde, das Problem in seinem Lehrbuch von 1973 als Hausaufgabe stellte. Er führte die Studenten zu dem Schluss, dass Interferometrie als Methode zur Detektion von Gravitationswellen nicht gut sei. (Okay, meine Herren, Studenten, manchmal müssen Sie Ihre Hausaufgaben nicht machen.) Aber mit einer tieferen Untersuchung dieses Problems wurde Dr. Thorne einer der stärksten Befürworter der interferometrischen Methode.
Dr. Thorne zu überzeugen war einfacher als Geld zu bekommen und Studenten einzubeziehen. Die National Science Foundation lehnte 1972 den ersten Vorschlag von Dr. Weiss ab. 1974 machte er einen neuen Vorschlag und erhielt eine Finanzierung für die Designstudie. 1978 stellte Dr. Weiss in seinem Förderantrag fest: "Allmählich wurde mir klar, dass diese Art der Forschung am besten von fraglosen und möglicherweise dummen Wissenschaftlern sowie jungen Doktoranden mit abenteuerlichen Tendenzen durchgeführt wird."
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Der Umfang des Projekts wurde schrittweise erweitert. Die riesigen Arme des Interferometers mussten sich nun über mehrere Kilometer und nicht über Meter erstrecken und mit modernster Optik und Elektronik ausgestattet sein. Gleichzeitig wuchsen das Budget und das Forschungsteam. Die Umsetzung dieses komplexen Projekts erforderte nun nicht nur tiefe Kenntnisse der Physik, sondern auch politische Fähigkeiten. Irgendwann scheiterten Versuche, einen dieser großen Detektoren in Maine zu bauen, an politischen Rivalitäten und hinter den Kulissen von Kongress-Apparatschiks. Dies lehrte die Wissenschaftler, dass es mehr Interferenzen als Laserstrahlen gibt.
Überraschenderweise genehmigte die National Science Foundation 1992 die Finanzierung von PIOGV. Es war das teuerste Projekt der Stiftung, wie es bis heute bleibt. Der Zeitpunkt war richtig: Nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion Ende 1991 erkannten die Physiker sofort, dass die Argumente des Kalten Krieges für die wissenschaftliche Forschung im Kongress nicht mehr gültig waren.
Ungefähr zu dieser Zeit trat die Haushaltstaktik in den Vereinigten Staaten in eine neue Phase ein. Bei der Planung langfristiger Projekte mussten nun die häufigen Drohungen einer Aussetzung der Aktivitäten staatlicher Stellen berücksichtigt werden (manchmal wurden sie durchgeführt). Dies komplizierte die Budgetierungssituation, da der Schwerpunkt nun auf kurzfristigen Projekten lag, die schnelle Ergebnisse versprachen. Wenn heute ein Projekt wie PIOGV vorgeschlagen würde, wäre es schwer vorstellbar, dass es genehmigt wird.
PIOGV zeigt jedoch bestimmte Vorteile eines langfristigen Ansatzes. Dieses Projekt veranschaulicht die enge Beziehung zwischen Wissenschaft und Bildung, die weit über Hausaufgaben hinausgeht. Viele Studenten und Absolventen des PIOGV-Teams wurden Mitautoren eines historischen Artikels über die entdeckten Wellen. Seit 1992 wurden allein im Rahmen dieses Projekts in den USA fast 600 Dissertationen verfasst, die von Wissenschaftlern aus 100 Universitäten und 37 Staaten erstellt wurden. Die wissenschaftliche Forschung ist weit über die Physik hinausgegangen und umfasst nun Bereiche wie Ingenieurdesign und Softwareentwicklung.
PIOGV zeigt, was wir erreichen können, wenn wir über den Horizont hinausblicken und nicht an jährlichen Budgets und Berichten hängen bleiben. Durch den Bau hochempfindlicher Maschinen und die Ausbildung intelligenter und engagierter junger Wissenschaftler und Ingenieure können wir unser grundlegendes Verständnis der Natur mit beispielloser Präzision testen. Solche Bemühungen führen häufig zu Verbesserungen der im Alltag verwendeten Technologien: Das GPS-Navigationssystem wurde im Rahmen der Arbeit zum Testen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entwickelt. Solche unerwarteten Entdeckungen sind zwar schwer vorherzusagen. Aber mit Geduld, Ausdauer und viel Glück können wir in die innersten Tiefen des Universums schauen.
David Kaiser ist Professor und Dozent für Physik und Wissenschaftsgeschichte am Massachusetts Institute of Technology. Er arbeitete mit W. Patrick McCray zusammen, um Groovy Science: Knowledge, Innovation und die amerikanische Gegenkultur zu bearbeiten.