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Einsteinfeier 2009 – Verleihung der Einstein-Medaille 

Am 29. Mai 2009 erhielt der Astrophysiker Kip Thorne die Einsteinmedaille für seine Leistungen in der Astrophysik, speziell in der Erforschung der Gravitationswellen. Im vollen Auditorium Maximum der Universität Bern hielt er einen auch für Laien sehr informativen und überaus interessanten Vortrag zum Thema „Colliding Black Holes, Gravitational Waves, and Entanglement: Einstein’s Legacy Today“. Im Anschluss an seinen Vortrag überreichte ihm der Präsident der Albert Einstein Gesellschaft Hans-Rudolf Ott die Einstein-Medaille. Die Laudatio hielt Philippe Jetzer, Präsident des Kuratoriums.


Professor Kip S. Thorne

In seinem Vortrag zeigte Professor Kip Thorne auf sehr anschauliche Weise, um was es sich  bei den so genannten Gravitationswellen handelt, wie sie entstehen können und wie man sie nachweisen kann. Wenn es dem einen oder anderen Zuhörer nicht „anschaulich“ genug erschien, liegt das nicht an den Fähigkeiten des Laureaten – der auch populärwissenschaftliche Bücher zu diesem Thema geschrieben hat – sondern ganz einfach daran, dass hier die „Anschaulichkeit“ prinzipiell nicht gegeben ist. Die Einsteinsche Gravitationstheorie befasst sich mit der Physik in der vierdimensionalen Raumzeit, so dass die echten 3D-Vorgänge (D=Dimension) in der echten 4D-Raumzeit nur als 2D-Projektionen im 3D-Raum dargestellt werden können. Der Vergleich der Gravitationswellen mit der Elektrodynamik, wonach beschleunigte elektrische Ladung elektromagnetische Wellen abstrahlen, greift jedenfalls zu kurz; die Ueberlegungen, unter welchen Umständen ein kosmisches Objekt – z.B. umeinander kreisende Schwarze Löcher – Gravitationswellen abstrahlt – sind ungleich komplexer und mathematisch schwieriger zu erfassen.

Kip Thorne befasste sich im ersten Teil seines Vortrags mit der Entstehung und den  Eigenschaften der Gravitationswellen sowie deren Voraussage durch die theoretische Physik und im zweiten Teil mit dem experimentellen Nachweis der Gravitationswellen. Ähnlich wie bei Wasseroberflächenwellen, bei denen sich Auf- und Ab-Bewegungen der Oberfläche von einem Zentrum wegbewegen, werden Gravitationswellen von einem erzeugenden Zentrum als Änderungen der Verbiegung der vierdimensionalen Raumzeit abgestrahlt. Solche „Kräuselungen“ der Raumzeit bewirken andern Orts schwache Verrückungen von Massen, vergleichbar mit einem im See liegenden Holzstück, das durch eine heranbrandende Welle auf- und ab bewegt wird.

Raumkrümmungen treten überall dort im Universum auf, wo Masse bzw. Energie vorhanden ist. Besonders starke Krümmungen findet man um schwarze Löcher. Diese äussern sich so, dass ein von aussen beobachtetes Objekt bei seiner Annäherung an das Schwarze Loch stärker und stärker verzogen und geknautscht wird und schliesslich am Ereignishorizont zu verharren scheint. Anders ausgedrückt heisst das, dass der Raum um ein Schwarzes Loch in dem Sinne verkrümmt ist, dass eine hypothetische Messung des Umfangs eines Kreises ausserhalb des Schwarzen Lochs  viel kleiner ausfällt als der Durchmesser.


2d-Veranschaulichung der durch ein Schwarzes Loch verkrümmten Raumzeit

Ein einzelnes ruhendes, sich drehendes Schwarzes Loch sendet nun allerdings keine nennenswerten Gravitationswellen aus. Die Astrophysiker konnten aber zeigen, dass der Zusammenstoss zweier umeinander kreisenden Schwarzen Löcher rund 10 Prozent ihrer Masse in Strahlungsenergie umwandeln; ein Wert, der 20 Mal grösser ist als was ein gewöhnlicher Stern in Form von elektromagnetischer Strahlung aussenden kann! Kollisionen von Schwarzen Löchern gehören daher zu den energetisch auffälligsten Prozessen des Universums. Weiter schätzt man, dass die totale im Universum in Form von Gravitationswellen ausgestrahlte Energie 10000mal grösser ist als die Energie in allen Sternen. Wohlgemerkt, diese Strahlungsenergie hat mit Licht nichts zu tun, und von ihr merken wir auch nichts.

Mit der heute verfügbaren Computer-Rechnerleistung – und darauf hinzuweisen war Kip Thorne sehr wichtig – ist es erstmals möglich, Kollisionen von Schwarzen Löchern zu simulieren. Dies ist natürlich wichtig, denn die Modellrechnungen helfen mit, erstens die Prozesse besser zu verstehen und zweitens bessere Voraussagen zu gewinnen, wie stark denn ein solcher Event bei uns ankommt und (hoffentlich) nachgewiesen werden kann. Professor Thorne zeigte uns in einer Animation, dass die Kollision und Verschmelzung zweier sich drehender Schwarzen Löcher der Vereinigung zweier Tornados ähnelt.  Man kann zudem abschätzen, wie die auf die Erde zubrandende Welle etwa aussehen müsste und mit welchen Amplituden zu rechnen ist.


Aus einer Simulation berechneter zeitliche Verlauf der auf der Erde einlaufenden Gravitationswelle, erzeugt von einer Black-Hole-Kollision

Offenbar kommt es dabei vor allem darauf an, wie sich die Ereignishorizonte der beiden Schwarzen Löcher verhalten. Deren „Pumpen“, d.h. deren Aufblähen und Zusammenziehen erreicht Geschwindigkeiten bis zu 1500km/s.


Geschwindigkeit, mit der sich der Ereignishorizont während einer Kollision typischerweise verhält


Darstellung des Ereignishorizontes bis zur vollständigen Verschmelzung

Um es gleich vorwegzunehmen: Bisher hat noch niemand Gravitationswellen nachgewiesen, die Nachweisgeräte sind aber in Betrieb oder im Aufbau begriffen. Die gegenwärtige Situation ist viel brisanter als etwa zu Galileis Zeiten. Immerhin hatte Galileo mit seinen Augen schon Planeten gesehen; die Verwendung des Teleskops war demzufolge nur eine quantitative Verbesserung seiner Beobachtungsmöglichkeit. Heute ist man hingegen daran, einen Sensor zu entwickeln, der einen völlig neuen Blick ins Universums erlaubt. Denn alles, was wir bisher vom Universum in Erfahrung gebracht haben, ist  ausschliesslich auf elektromagnetischem Wege zu uns gelangt, sei es durch unsere Augen, Fernrohre oder durch Observatorien verschiedenster Wellenlängenbereiche. Der neue revolutionäre Sensor, den die Menschheit im Begriff ist zu verwenden, heisst Gravitations-Wellen-Detektor.


Nachweisprinzip für Gravitationswellen mittels Interferometrie

Das Messprinzip ist relativ einfach: die auf die Erde zukommende Gravitationswelle verzieht bei ihrer Ankunft die Raumzeit, also auch in den senkrecht zueinander angeordneten Röhren des Detektors. In jeder Röhre läuft ein Laserstrahl zwischen zwei als Spiegel verwendete Massen hin und her. Die vier Massen sind beweglich aufgehängt und verändern durch die Dehnung oder Stauchung der Raumzeit ihre gegenseitige Distanz. Das Charakteristische einer Gravitationswelle besteht nun darin, dass sie gleichzeitig in einer Richtung die Raumzeit dehnt und senkrecht zu dieser Richtung diese staucht und umgekehrt.  Die Verlängerung des Spiegelabstands in der einen Röhre geht einher mit einer etwa gleichgrossen Verkürzung des Spiegelabstands in der anderen Röhre. Durch Interferometrie kann man aus den Laufzeitunterschieden der beiden Laserstrahlen diesen Effekt nachweisen.  Typische Gravitationswellen bewirken eine relative Längenänderung vonh = 10^-21 . LIGO verfügt über zwei je 4 km lange Arme, woraus eine Spiegelabstandsänderung von h*L = 4*10^-18m pro Arm resultiert. Die experimentelle Herausforderung besteht also darin, eine Längenänderung von etwa 10-17m bis 10-18m nachzuweisen. Bedenkt man, dass dies einem tausendstel des Protondurchmessers entspricht, so erkennt man, welch gewaltige Aufgabe es bedeutet, zwei makroskopische Spiegel mit einer Masse von je 40kg so genau in ihrer gegenseitigen Position auszumessen.  Kip Thorne betont, dass zum ersten Mal so grosse Objekte quantenmechanisch berechnet werden, was mittels so genannter Nondemolition Quantum Technology gelingt, einem Zweig der Quantum Information Science. Dabei darf man natürlich nicht übersehen, dass viele andere Effekte wie Erschütterungen, das temperaturbedingte Zittern der Spiegelatome usw. ebenfalls – und in viel stärkerem Masse - Verschiebungen der Spiegelabstände bewirken; alles unerwünschte Effekte, deren Einfluss man eliminieren muss.

Im Laser Interferometer Gravitational Observatory LIGO, einer Kollaboration, an der 500 Wissenschaftler von 50 Instituten aus acht Länder beteiligt sind, sucht man unter anderem nach kollidierenden Schwarzen Löchern mit 10 bis 100 Sonnenmassen in entfernten Galaxien. Das Projekt LIGO umfasst zwei identische Interferometer, die in Hanford, Washington bzw. in Livingston, Louisiana gebaut wurden.


LIGO-Station in Livingston

Sollte einer der Gravitationswellendetektoren ein Signal nachweisen, so müsste der andere es ebenfalls zeigen, ein Verfahren, das in der Astronomie gang und gäbe ist. Drei weitere Geräte versuchen ebenfalls, Gravitationswellen nachzuweisen. Durch den Datenverbund der fünf Stationen steigt damit die Sicherheit, dass man wirklich echte Signale empfängt.


Lage der gegenwärtigen Gravitationswellen-Detektoren rund um den Erdball

Die Auswertung der Daten aus LIGO benötigen sehr viel Rechenzeit. Die Kollaboration hat deshalb die Homepage www.einsteinathome.org eingerichtet, mit deren Hilfe jeder User seinen privaten Computer zur Verfügung stellen kann.

Während man zur Zeit mit etwa einer Black-Hole-Kollision pro Jahr rechnet, hofft man bis 2014 die Empfindlichkeit von LIGO so weit zu steigern, dass man bis zu einer Entfernung von 5 Milliarden Lichtjahren solche Prozesse beobachten kann oder, anders ausgedrückt, etwa mit einem Ereignis pro Tag rechnen kann. In Planung befindet sich die „Laser Interferometer Space Antenna“ LISA der ESA und NASA, welches ab 2018 aus dem Weltraum grosse Schwarze Löcher mit millionenfacher Sonnenmasse beobachten soll. LISA besteht aus drei in einem gleichseitigen Dreieck mit einer Seitenlänge von 5 Millionen km angeordneten Messstationen, die je zwei Testmassen und das Equipment für die Interferometer enthalten. Der Mittelupnkt des „Dreiecks“ befindet sich auf derselben Sonnenumlaufbahn wie die Erde in einer  Entfernung von 50 Millionen km von dieser.


LISA und seine Position im Raum, rechts im Bild: Erde mit Mond

Mit LISA liesse sich beispielsweise ein Schwarzes Loch mit 10 Sonnenmassen, das sich um ein Schwarzes Loch mit millionenfacher Sonnenmasse bewegt, in einer Entfernung von 3 Milliarden Lichtjahren mit einer Amplitude von h = 10-20 nachweisen.

Professor Kip Thorne schloss seinen Vortrag mit einem Ausblick in die nächsten 40 Jahre Gravitationswellen-Detektion. Mit LIGO, LISA und Nachfolge-Experimenten könnten auch Wellen von dichten, kalten Objekten, der Big-Bang-Singularität, der inflationären Expansion von Superstrings, der Entkoppelung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung  und der „Entknitterung“ unserer 3d-Welt im Hyperraum nachgewiesen werden. Man darf gespannt sein, welche Einsichten uns die neuen „Gravitations-Fernrohre“ vom Universum vermitteln werden!

Hansjörg Friedli

 


Kip Thorne bei der Übergabe der Einstein-Medaille


 

Ein typisch bernerisches Präsent darf nicht fehlen!


Philippe Jetzer, Präsident des Kuratoriums

Vorstellung des Laureaten

Mit Kip Thorne erhält dieses Jahr einer jener Astrophysiker die Einstein-Medaille, die tagtäglich mit der Einsteinschen Relativitätstheorie zu tun haben. Er beschäftigt sich nämlich mit relativistischen Sternen, Schwarzen Löchern und Gravitationswellen. Professor Thorne hat seit 1991 den Feynman Lehrstuhl am California Institute of Technology inne, wo er sich unter anderem mit der Entstehung von Gravitationswellen und deren Nachweis beschäftigt.

Kip Stephen Thorne wurde am 1. Juni 1940 in Logan, Utah, USA geboren. Er ist verheiratet mit Carolee Joyce Winstein und Vater zweier Kinder. Nach seiner Schulzeit in Logan studierte er zunächst am Caltech bis 1962 und doktorierte 1965 an der Princeton University bei John Archibald Wheeler. Er kehrte ans Caltech zurück, wo er 1970 Professor für Theoretische Physik wurde. Kip Thorne blieb bis heute dem California Institute of Technology treu; 1981 übernahm er dort den „The William R. Kenan, Jr.“-Lehrstuhl und ist seit 1991 „The Feynman Professor of  Theoretical Physics“.
Kip Thornes Interesse gilt allem, was mit Gravitationswellen, Schwarzen Löchern, relativistischen Sternen, Wurmlöchern, kurz mit der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) zu tun hat. So sagte er die Existenz von roten Superriesensterne mit einem Neutronenstern-Kern voraus (Thorne-Zytkow-Objects). Er entwickelte die relativistische Theorie von dünnen Akretionsscheiben um Schwarze Löcher, woraus er ableiten konnte, dass bei einer Verdoppelung der Masse der maximale Drehimpuls eines schwarzen Lochs aber nur auf zwei Promille  an den von der ART vorausgesagten Drehimpuls heranreicht. Aus der ART leitete Thorne die Gesetze der Bewegung und Präzession von Schwarzen Löchern und anderen relativistischen Objekten ab, einschliesslich des Einflusses der Kopplung ihrer Multipolmomente auf die Raumkrümmung. Seine Entwicklung eines „Membrane Paradigm“ erklärte den Prozess, mit dem Schwarze Löcher Quasare oder galaktische Zentren mit Energie versorgen können. Er konnte zeigen, dass die Entropie eines Schwarzen Loches mit bekannter Masse, Drehimpuls und Ladung dem Logarithmus der Anzahl Möglichkeiten, das Schwarze Loch aufzubauen, entspricht.
Thorne – seines Zeichens theoretischer (Astro)physiker - hat an vorderster Front an der Realisierung von Experimenten zum Nachweis von Gravitationswellen mitgearbeitet. So war er Mitbegründer des “Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory” LIGO, an dem er heute noch mitwirkt und ist Mitglied des International Science Team von LISA  (Laser Interferometer Space Antenna). Dass so etwas wie Gravitationswellen existieren, hat schon Einstein aus seinen Gleichungen abgeleitet. Während beschleunigte elektrische Ladungen – z.B. Elektronen in einer Sendeantenne - solche Wellen aussenden, sind es in der ART beschleunigte Massen, die Wellen aussenden können. Thorne beschäftigte sich bereits in den siebziger Jahren mit pulsierenden relativistischen Sternen und den Gravitationswellen, die solche Objekte abstrahlen müssen. Allerdings ist der Nachweis solcher „Raum-Zeit-Vibrationen“ etwas von Schwierigsten, was sich Experimentalphysiker vornehmen können, entsprechend ist es trotz grosser Anstrenungen bisher nicht gelungen, Gravitationswellen nachzuweisen. Das Messprinzip von LIGO beruht darauf, die durch eine Gravitationswelle erzeugte Längenänderung einer 4km langen Strecke nachzuweisen. Zu diesem Zweck hat man zwei zueinander senkrecht verlaufende evakuierte Röhren-Arme gebaut, in denen je ein Laserstrahl zwischen Spiegeln mehrer Male hin- und herläuft. Die Anordnung wird so justiert, dass bei Abwesenheit von Gravitationswellen die Laufzeit in den beiden Armen exakt gleich gross ist. Mittels Interferometrie ist man in der Lage, geringste Längenänderungen von 10-18m zwischen den Armen nachzuweisen. Würde eine parallel zum einen Arm auftreffende Welle diesen Arm verkürzen, blieb der senkrecht dazu angeordnete Arm davon unbeeinflusst und die aus dem All herkommende Gravitationswelle wäre nachgewiesen. Die technische Ausführung ist äusserst delikat, selbst die thermische Bewegung (Thermoelastic Noise) der Spiegeloberflächenatome muss berücksichtigt werden, ganz abgesehen von vielen im Vergleich riesigen Beeinflussungen der Rohrlängen durch Erschütterungen, Temperaturänderungen, Rauschen usw.
Kip Thorne ist auch ein begnadeter Autor. Neben dem umfangreichen Lehrbuch „Gravitation“, das er mit Wheeler und Misner herausgab, hat er auch ein populärwissenschaftliches preisgekröntes Buch geschrieben: „Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy“ (Gekrümmter Raum und verbogene Zeit). In diesem Buch beschreibt Thorne, wie er es sich als seriösem Astrophysiker nicht nehmen liess, für einen Science-Fiction-Roman zu überlegen, wie man – ausgehend von gesicherten physikalischen Gesetzen über Raum und Zeit – in vernünftiger Zeit die Strecke Erde – Vega zurücklegen könnte. Dies führte zu seiner Beschäftigung mit so genannten Wurmlöchern. Solche skurrilen Abkürzungen im Raum sind gemäss der ART zwar möglich, aber aufgrund quantenmechanischer Prozesse nicht stabil. Durchquerbare Wurmlöcher – d.h. solche, die man für Expressreisen im All verwenden könnte - existieren nur dann genügend lang, wenn sie von Quantenfeldern gehalten werden, welche die  Nullpunktsenergie-Bedingung verletzen, oder anders gesagt, wenn in einem ausreichend grossen Gebiet negative Energie vorhanden ist. Dass Rückwärts-Zeitreisen in der Raum-Zeit unmöglich sind, folgerte Thorn aus der Tatsache, dass geschlossene zeitartige Kurven unmöglich sind aufgrund eines explosiven Anstiegs der Vakuumpolarisation.
Kip S. Thorne ist seit 1972 Mitglied der American Academy of Arts and Sciences, seit 1973 Mitglied der National Academy of Sciences, seit 1999 Mitglied der Russian Academy of Sciences und gehört seit 1999 der American Philosophical Society an. Er erhielt neben vielen anderen Auszeichnungen den Lilienfeld-Preis der American Physical Society, die Karl Schwarzschild-Medaille der deutschen Astronomischen Gesellschaft und den Phi Beta Kapa Science Writing Award.

Hansjörg Friedli

(Informationen vor allem aus http://www.its.caltech.edu/~kip/scripts/biosketch.html)

 

 
 
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