• Veröffentlicht: 20.02.2016
  • Auf SciViews seit: 03.03.2016
  • Sprache: deutsch
  • Laufzeit:
    0:05:49
Relativitätstheorie

Mit Gravitationswellen das Universum belauschen

Die Messung von Gravitationswellen ist ein Meilenstein der modernen Astronomie und öffnet ein weiteres Fenster ins All. Ein Erklärvideo erläutert das faszinierende physikalische Phänomen.

Vom SciViews-Autor

Am 11. Februar 2016 gaben Forscher der LIGO-Kollaboration die erste direkte Messung von Gravitationswellen bekannt. Es ist die letzte wichtige Bestätigung der einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie. Ihr zufolge erzeugt jede bewegte Masse Gravitationswellen – der Nachweis, dass diese Wellen tatsächlich existieren, stand aber seit knapp einem Jahrhundert noch aus.

Das Video aus der Reihe "BYTEthinks" des norddeutschen YouTubers Finn D. erläutert, was Gravitationswellen eigentlich sind: wellenförmige Dehnungen und Stauchungen des Raums, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. Damit sie für uns aber überhaupt messbar werden, müssen sie von gewaltigen Massen erzeugt werden. Und tatsächlich: Die nun nachgewiesenen Wellen wurden den LIGO-Forschern zufolge wohl durch den Zusammenprall zweier massereicher Schwarzer Löcher erzeugt.

Der Clip erzählt diese Zusammenhänge in lockerem, angenehmem Ton. Bisweilen fällt auf, dass er sich an ein jüngeres Publikum richtet, ohne dass die Sprache aber allzu flapsig wirkt. Einfache, aber markante Zeichnungen und Animationen illustrieren die Zusammenhänge sehr passend. Auch die Leistung der Physiker und Techniker kommt nicht zu kurz, gilt es bei einem Observatorium wie LIGO doch, winzigste Effekte von Gravitationswellen auf eine von Laserstrahlen zurückgelegte Strecke zu messen. Sobald eine Welle eintrifft, verlängert beziehungsweise verkürzt sich diese Strecke um einen Betrag, der gerade einmal einem Tausendstel Durchmesser eines Atomkerns entspricht!

Das Video erklärt diese Punkte gut und schildert auch die künftigen Pläne eines riesigen satellitengestützten Weltraumobservatoriums. Denn mit Hilfe der Gravitationswellen wollen Forscher in Zukunft auch den nicht sichtbaren Teil des Universums beobachten, genauer gesagt belauschen – also solche Phänomene, die zwar kein Licht, stattdessen aber Gravitationswellen aussenden.

Leider geht der Film nicht über die hinlänglich bekannten Fakten hinaus. So hätte man gern erfahren, welche Objekte die Astrophysiker mit den neuen Observatorien nun untersuchen wollen und wo die Nachweisgrenze von Gravitationswellen liegt. Das neue Fenster ins Universum ist schließlich noch ein wenig trübe: In nächster Zeit werden nur solche Phänomene auf der Suchliste von Gravitationswellenobservatorien stehen, bei denen extrem große Massen einander auf engstem Raum zu nahe kommen. Neben kollidierenden Schwarzen Löchern und Neutronensternen kommt da bislang nicht viel in Frage.

Weblinks

Kommentare

#1 Messfehler!

Wissenschaftlicher Humbug! Wie den Medien zu entnehmen war, wollen die amerikanischen Physiker mit ihrem Observatorium zum Nachweis von Gravitationswellen angeblich die Längenänderung von einem Tausendstel des Durchmessers eines Wasserstoffatomkerns gemessen haben. Dies ist zurzeit absolut unmöglich und muss als wissenschaftlicher Blödsinn klassifiziert und qualifiziert werden! Denn der Durchmesser eines Wasserstoffprotons beträgt DH2p= 2,8*10-15 m. Ein Tausendstel davon wären nach Adam Ries dann 2,8*10-18 m. Übrigens erzeugt jede natürliche Erschütterung (vorbeifahrendes Auto, ja ein Fußgänger) in der Umgebung des Observatoriums eine bedeutend größere Erschütterung und Abweichung, wie die angeblich gemessene Längendifferenz von ∆s=2,8*10-18 m. Unabhängig davon, beträgt die maximale Auflösung von Licht allgemein ca. 0,5 der Wellenlänge oder ∆x = λ/2. Da vom Laser des amerikanischen Observatoriums zur Detektion von Gravitationswellen nicht der Wellenbereich angegeben wurde, soll das gesamte sichtbare Spektrum für die Berechnung des Auflösungsvermögens betrachtet werden. Das sichtbare Spektrum der Wellenlängen reicht von ca. 390 nm (Nanometer – ein Milliardstel Meter) bis ca. 780 nm. Die Spannweite des Auflösungsvermögens bewegt sich also von 195 nm bis 390 nm. Dies sind rund 2*10-7 bis 4*10-7 m. Das maximale Auflösungsvermögen im optischen Bereich liegt bei 2 *10-7 m und kann wie folgt berechnet werden: d= λ/(2*A)=0,55 µm:2*1,4 ≈ 2*10-7 m, (1) wobei d der Abstand zweier Punkte darstellt, die gerade noch wahrgenommen werden können, λ die Wellenlänge mit 0,55 µm bedeutet, wo ein maximales Sehen garantiert wird und A die numerische Apertur des Objektes bedeutet, hier mit dem Wert von 1,4 für die Berechnung eingesetzt. He-Ne-Laser im Infrarotbereich arbeiten mit einer Wellenlänge von ca. 3400 nm. Das Auflösungsvermögen beträgt also in diesem Falle ca. 1,7* 10-6 m und liegt um 12 Potenzen unter dem erforderlichen Auflösungsvermögen von 2,8 *10-18 m. Das höchste Auflösungsvermögen, das jemals im optischen Bereich mit einem Interferometer erzielt wurde, konnte von Joos 1930 mit einer Apparatur, die in den Jenaer Zeisswerken konstruiert wurde mit 1/1000 der verwendeten Wellenlänge (ca.5,5*10-10 m) registrieren. Laserinterferometer haben nur ein Auflösungsvermögen von maximal/minimal einigen 10-7 m und liegen damit „Galaxien“ vom erforderlichen Leistungsvermögen entfernt. Mit leistungsstarken Elektronenmikroskopen kann man ein Leistungsvermögen im Pikobereich erzielen (10-12m). Nach Lindner (Das Moderne Bild der Physik, Uraniaverlag, Leipzig, Jena, Berlin, 1973) soll das erzielbare Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen sogar 10-15 m bei 15.000 V betragen. Beim experimentellen Nachweis des Compton-Effektes konnte mit einer komplizierten Versuchsanlage eine Wellenlängenänderung von 2,4 *10-12 m gemessen werden (Comptonwellenlänge des Elektrons). Nun könnten die amerikanischen Forscher ganz clever gewesen sein und die Laufzeitdifferenz gemessen haben. Da ergibt eine noch katastrophalere Bilanz! Die Laufzeitdifferenz ∆t beträgt nämlich zirka 10-26 s. Denn: ∆t= ∆s:c= 2,8*10-18 m: 3*108 m/s ≈ 10-26s. (2) Das Auflösungsvermögen von optischen Atomuhren beträgt gegenwärtig 10-17 s und liegt damit deutlich unter dem hypothetisch berechneten Auflösungsvermögen. Und bei der Betrachtung der Energiebilanz wird deutlich, dass aus einer Entfernung von s= t*c=1,3 *109*365*24*3600 s* 300.000 km/s ≈ 1,3*109*3,2 *107*3*105 km ≈ 1,2*1022 km (3) von der Energie der drei Sonnen mit der Energie ESL=m*c²= 3*2*1030 kg* 9*1016 m²/s² ≈ 5,4*1047 J (Joule) (4) nur noch rund EE=9*10 9 J=9*109 Ws ≈ 2,5 MWh (5) auf die Erdatmosphäre auftreffen und dann von ihr mit Sicherheit total absorbiert würden. Denn es gilt EE= ESL: [(16*ASL:AE)* (R²:RE²]. (6) weil die Energiedichte mit dem Quadrat der Entfernung vom Fusionsort der beiden schwarzen Löcher mit einer Gesamtmasse von 29+36=65 Sonnenmassen abnimmt und sich im Raum homogen verteilt. Anderseits bildet die Erde in Relation zu den beiden schwarzen Löchern nur eine ganz geringe Fläche, wobei sich das Verhältnis der beiden Flächen von den schwarzen Löchern mit dem Radius rSL und der Erde mit dem Radius rE allgemein wie folgt errechnet: n=³√(65)²rSL²: rE². (7) EE= ESL: [(16*ASL:AE)* (R²:RE²].Damit ergibt sich eine Energie von EE= 5,4*1047 J: [(16*0,5*1012): (41*106)]*[(1,44*1044: 0,5*1012)] ≈ 9*109 J=9*109 Ws ≈ 2,5 MWh (8) die auf die Atmosphäre der Erde treffen und hier wohl nahezu absorbiert werden würden. Zudem ist davon auszugehen, dass die Energie der Gravitationswellen nur einen ganz minimalen Anteil an den 2,5 MWh ausmachen. Zum Observatorium selbst würden nur wenige J gelangen, wenn man das Flächenverhältnis der Erde in Relation zur Ausdehnung des Observatoriums setzt, wie leicht nachvollziehbar ist. Anderseits soll nach einer Quelle im Internet (Gravitationswellen, wikipedia, 2016) die Amplitude der Gravitationswellen umgekehrt zur Entfernung des Fusionsortes abnehmen. Dies bedeutet, dass es sich um gedämpfte Wellen handelt, die der mathematisch-physikalischen Relation At=Ao*e (-δ*t) (9) gehorchen (Ao-Anfangsamplitude. At-Amplitude zum Zeitpunkt t und δ- Dämpfungsfaktor), wobei die Amplitude von Gravitationswellen 10-23 bis 10-20 m betragen sollen [Max Camenzind, (2015): Gravitationswellen, Würzburg, 2015]. Geht man davon aus, dass die Energie von Wellen in der Regel über die Amplitude übertragen wird, ist leicht einzusehen, dass die Energie der Gravitationswellen auf „Höhe“ der Erde bei null liegen müsste. Im Moment der Fusion der beider Schwarzen Löcher entstehen Gravitationswellen mit einer Amplitude von 10-21 m bei einer Frequenz von 1 kHz. Wie sollen diese Wellen mit einer Wellenlänge von λGW=3*108 m/s: 10³ Hz= 3*105 m (10) mit den Wellen des sichtbaren Laserlichtes im grünen Bereich mit einer Wellenlänge von 550 nm und einer Frequenz von ca. 1015 Herz interferieren können? Im Interferometer wird sich kein Interferenzmuster der beiden extrem unterschiedlichen Wellentypen abbilden können. Ja, wie sollten die Gravitations- und elektromagnetische Wellen unterschiedlichster physikalischer Eigenschaften miteinander interferieren können? Dies wäre ja gerade quasi so, als wenn Schallwellen mit elektromagnetische Wellen, oder Wasserwellen mit Schallwellen interferieren würden. Und die winzige Energie eines Gravitons mit EGW=h*νGW=6,625 *10-34 Ws²*1000 Hz ≈ 6*10-31 Ws (11) zu einem Photon mit der Energie von EPh=h*νPh=6,625 *10-34 Ws²*1015 Hz ≈ 4*10-19 Ws (12) verhält sich wie Eins zu 1012. Bei der Betrachtung der Masseverhältnisse sieht die Situation noch extremer aus: Die Masse eines Gravitons soll nach Wassiljew und Stanjukowitsch (Im Banne der Naturgewalten, Urania-Verlag Leipzig* Jena*Berlin, I965) nur 5*10-63 kg betragen. Die Masse eines Photons bei einer Wellenlänge von 550 nm hingegen ist im Verhältnis zu einem Graviton ein Schwergewicht und deren Masse beträgt nach (12) rund m= E:c²= 4*10-19 Ws : 9*10-16 m²/s² ≈ 4*10-36 kg. (13) Das Masseverhältnis eines Gravitons zu einem Photon ist analog einer Tonne zur Masse der Erde mit rund 6*1024 kg und beträgt ca. 1 zu 1024! Das winzige Graviton kann damit gar keine physikalische Wirkung auf das Photon ausüben! Nach einem anderen Modell wird wohl streng genommen nicht ein J auf der Erde ankommen können, weil das All vom interstellaren, kosmischen Staub und den Planeten auf einer Entfernung von E=1,2*1022 km bis zur Erde völlig dicht und abgeschirmt sein muss. Denn zwischen dem Ursprungsort der Fusion der beiden Neutronensterne und dem Observatorium befinden sich neben Michstraßen, Sonnensystemen und Planetensystemen über 108 Tonnen undurchdringbare Materie. Eine andere Frage wäre noch von Interesse: Wie verändert sich das Gravitationsfeld zwischen Fusionsraum der schwarzen Löcher und der Erde, wenn die drei Sonnenmassen in Energie verwandelt wird? Nach dem Newtonschen Gesetz ändert sich das Gravitationsfeld wie folgt: ∆F= γ*ME*3*MSL:r²= 6,76*10-11*6*1024*2*1030*3 N: 1,44*1044 ≈ 17 N. (13) Es wirkt also eine Kraftfeldänderung von 17 N auf die gesamte Erde ein. Diese Kraft ist nicht in der Lage, eine merkliche mechanische Änderung in der Versuchsanlage des Observatoriums zu bewirken. Es ist wohl so, dass Gravitationswellen aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Lichtes mit ihrem beschränkten Auflösungsvermögen kaum jemals detektiert werden können. Denn das höchste Auflösungsvermögen wird mit Elektronenrastermikroskopen nach Lindner (1973) mit 10-15 m bei 15 kV angeblich erzielt. Nach neusten Erkenntnissen liegt ist aber weit unterhalb dieses Wertes und beträgt 2*10-12 m. Es fehlen also noch 6 Zehnerpotenzen, um die Gravitationswellen detektieren zu können. Die Amerikaner sind wohl irgendwie auf Dummenfang gegangen, um an Forschungsgelder und an den Nobelpreis ranzukommen. Sehr gewagt ist anderseits die These/Hypothesen von der vermeintlichen Existenz von Gravitationswellen und der Fusion von schwarzen Löchern auf die Urknall-Theorie des Universums zu schlussfolgern bzw. zu extrapolieren, nach dem das Universum innerhalb von einer Millionstel Sekunde vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden sein soll! Denn erstens: Aus dem Nichts, kann nichts entstehen, wie bereits eine einfache logische Überlegung erkennen lässt. Mit anderen Worten: Materie, wie Masse und Energie kann nicht entstehen und nicht verschwinden – sie ist einfach präsent und erfährt eine ständige Transformation! Und zweitens müsste das Weltall eine endliche Ausdehnung von ca. 1,3*1023 km besitzen. Dies impliziert, dass das Universum eine endliche Ausdehnung von 1,3 *1023 km mit einer gigantischen Oberfläche O von OAll =π*4* r²=3,14*4 (1,3*1023)² km² =3,14*4*1,69*1046 ≈ 2*1047 km² (14) besitzt, das kontinuierlich pulsiert, also expandiert und implodiert.

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