Astrophysik

©2011 Autor: Michael Köchling
 



Die Suche nach den Gravitationswellen

Es mutet sicher sehr befremdlich an, dass es laut Albert Einstein und seiner Relativitätstheorie Gravitationswellen geben soll, diese aber seit Anfang des 20. Jahrhunderts vergeblich gesucht werden. Was aber noch weitaus bemerkenswerter ist: die Gravitation soll die Wellen des Lichtes beeinflussen. Da stellt sich die Frage: Was ist Gravitation und auf welche Weise beeinflusst sie die „Elektromagnetischen Wellen“, zu denen auch die Wellen des Lichtes gehören?
Immer größere Anstrengungen werden unternommen um solche Wellen nachzuweisen. In naher Zukunft sollen dafür sogar drei Satelliten, ausgerüstet mit Lasern, auf der Umlaufbahn der Erde um die Sonne herum positioniert werden. Damit sollen geringste Veränderungen der Wellenlängen und ihrer Anzahl zwischen den Satelliten messbar sein. Auf den ersten Blick scheint diesen Wellen etwas Geheimnisvolles anzuhaften, doch könnte es nicht sein, dass etwas Wesentliches übersehen wurde und wie so oft die Lösung ganz einfach sein kann?
Um Ihnen einen Überblick zu verschaffen, gehe ich daher mit Ihnen weit zurück zur Wellenmechanik, denn um Wellen soll es sich ja handeln. Zudem müssen wir vorher festlegen, welche Anforderungen erforderlich sind um derartige Wellen, falls vorhanden, nachweisen zu können.
Fangen wir also an und schauen wie Wellen erzeugt werden können. Sie alle kennen den ins ruhige Wasser geworfenen Stein. Er verursacht konzentrische Wellen (diese Wellenform bezeichnet man als Elementarwellen), die sich um den Einschlag herum ausbreiten. Es ist damit der Impuls des eintauchenden Steines, welcher quer zur Bewegungsrichtung die Wellen verursacht.



Bildnachweis: Quelle nicht mehr vorhanden!


Aus diesem Grund wurde diese Art von Wellen als Querwellen bezeichnet. Anders ist es beim Schall. Hierbei schwingen Membranen oder andere Gegenstände und verursachen in die wechselnden, oszillierenden Bewegungsrichtungen Druckwellen im jeweiligen Medium, weshalb wir sie Längswellen nennen. Die „Elektromagnetischen Wellen“ werden wieder quer zur Bewegungsrichtung elektrisch geladener Teilchen oder magnetischer Teilchen erzeugt. Dabei wird ein bewegtes elektrisches Feld immer von einem magnetischen Feld begleitet, und umgekehrt ein bewegtes magnetisches Feld von einem elektrischen Feld (Albert Einstein / Leopold Infeld, Die Revolution der Physik, S. 145).
Wir wissen nun, welche Wellenarten uns zur Verfügung stehen. Da sind einmal die Wellen auf Flüssigkeiten, dann die Schallwellen und letztendlich die sogenannten „Elektromagnetischen Wellen“, die ein riesiges Spektrum unterschiedlicher Wellenlängen beinhalten.
Fangen wir daher an und prüfen, wie wir Wellen beeinflussen können. Als Ergebnis finden wir, dass sie sich reflektieren, richten, brechen, beugen und sogar problemlos teilen lassen. Sodann stellen wir fest, dass man die Querwellen polarisieren kann, was bedeutet, dass sie nur in einer Richtung schwingen. Dies ist der größte Unterschied gegenüber den Längswellen, wie dem Schall. Zudem breitet sich dieser einzig in Form von Wellenfronten aus. Demnach sind es eher oszillierende Druckwellen, die sich durch das Medium Luft ausbreiten. Ganz anders breiten sich Wellen auf Flüssigkeiten aus, sie sind dabei vertikal polarisiert und die Moleküle des Wassers werden dabei nur auf und ab bewegt, verändern aber in Bewegungsrichtung der Wellen kaum ihre Position. Ähnlich ist es bei den „Elektromagnetischen Wellen“, zu denen auch die Wellen des Lichtes gehören. Diese Wellen sind als Querwellen ebenfalls polarisiert, kommen dabei in der Natur aber in fast allen Polarisationswinkeln vor und bleiben Einzelwellen bis auf eine Ausnahme. Wenn wir sie nämlich durch einen sehr engen Spalt, oder ein kleines Loch schicken, werden sie gebeugt und es entstehen hinter dem Spalt ebenfalls sich konzentrisch ausbreitende Elementarwellen. Aus diesem Grund kam es zu einigen sehr verwirrenden Aussagen, wenn sie durch zwei benachbarte Spalten geschickt wurden. Dabei entstanden Interferenzbilder.



Bildnachweis: Eigenanfertigung
Nicht maßstabgerechte Darstellung von Interferenz am Doppelspalt mittels Lichtwellen.


Man konnte nämlich mit Elektronen, also elektrisch geladenen Teilchen, durch ebensolche Spalten geschickt, identische Interferenzbilder erzeugen (hierzu empfehle ich Ihnen meinen Bericht „Was ist Licht wirklich?“ im Internet unter www.astrophysik-mkoechling.de). Da es sich um ein anderes Kapitel der „Elektromagnetischen Wellen“ handelt, gehe ich an dieser Stelle nicht näher darauf ein.
Kommen wir nun aber zu den Ausbreitungsgeschwindigkeiten, so stellen wir fest: Jede Wellenart hat ihre eigene spezifische Ausbreitungsgeschwindigkeit, welche in der Physik mit c bezeichnet wird. Dabei ist c - spezifisch vom jeweiligen Ausbreitungsmedium abhängig. Bei den Wellen des Lichtes ist dies besonders klar verdeutlicht. Schicken wir nämlich Lichtwellen durch Wasser, Glas oder Kunststoff, so verringert sich c - spezifisch entsprechend dem Brechungsindex des jeweiligen Materials. Diesen Effekt kennen wir auch beim Schall. Leiten wir Schall durch Holz, Metall oder Luft, so hat der Schall in jedem Material eine andere spezifische Geschwindigkeit. Und unabhängig von Frequenz und Wellenlängen bleibt c - spezifisch immer gleich. Bei den Lichtwellen sind es im Vakuum des Weltalls 300.000 km /s , im Wasser 225.000 km /s und in Glas oder Kunststoff zwischen 185.000 - 240.000 km /s je nach Brechungsindex.



Bildnachweis: Eigenanfertigung
Wellenfronten von links werden hinter dem Spalt zu Elementarwellen.


Wenn Sie nun aber die oben beschriebenen Vorgänge beurteilen sollen, so werden sie zu dem Ergebnis kommen, dass alle Beeinflussungen von Wellen nur rein mechanisch möglich sind. Versuchen wir nämlich die Wellen mit elektrischen- oder magnetischen Feldern zu beeinflussen, so erleben wir eine Enttäuschung. Ja selbst die sogenannten „Elektromagnetischen Wellen“ lassen sich damit nicht beeinflussen, wenn sie denn erst einmal unterwegs sind! Da muss doch die Frage gestattet sein: Sind dies überhaupt „Elektromagnetische Wellen“, da wir sie doch nur rein mechanisch verändern können? Es ist noch nicht einmal ein Unterschied zu anderen Wellen vorhanden, weil diese ebenfalls durch elektrische- und magnetische Teilchen erzeugt werden. Dafür brauchen wir uns nur auf der Ebene der Moleküle und Atome umschauen, denn alle diese Teilchen haben sowohl elektrische-, wie auch magnetische Eigenschaften und werden sie bewegt, so geben sie ihre Impulse an das umgebende Medium weiter. Wir können uns daher diese Frage selber beantworten. Es sind rein mechanisch erzeugte Wellen und ihre Bezeichnung lässt vollkommen falsche Erwartungen zu. Dies ist auch der Grund, weshalb ich sie von Anfang an in Anführungsstriche gestellt hatte.
Nun werden Sie sicher anführen, dass sich elektrische- und magnetische Felder in gleicher Weise ausbreiten und noch dazu mit gleicher spezifischer Geschwindigkeit. Eine gewisse Verwandtschaft lässt sich daher nicht bestreiten, denn offensichtlich benutzen beide Arten das gleiche Medium zu ihrer Ausbreitung. Betrachten wir aber die Feldvorgänge, so bemerken wir, dass sie durch bewegte elektrische- oder magnetische Felder erzeugt werden. Also wieder durch rein mechanische Effekte. Aber es handelt sich in diesen Fällen nicht um Querwellen, sondern um Längswellen, denn sie treten in der Form von Wellenfronten auf. Sicher denken Sie nun als Gegenbeweis an Permanentmagneten, doch ich muss Sie enttäuschen. Die Metallkristalle darin ( auch als Weiß`sche Zellen bezeichnet ) sind überwiegend gleich ausgerichtet, aber die Bewegungen der darin sich bewegenden elektrischen Ladungsträger, wie Elektronen und Protonen, erzeugen die magnetischen Felder dieser Magneten. Sie sehen also, dass auch hierbei die Mechanik vorherrschend ist. Untersuchen wir jedoch die elektrischen- und magnetischen Felder, so erkennen wir, dass das jeweilige Komplementärfeld im rechten Winkel dazu entsteht. Dies lässt sich mit der Dreifingerhaltung leicht verdeutlichen.



Bildnachweis: Eigenanfertigung
Die Dreifingerregel


Quer zur Bewegungsrichtung des Ladungsträgers entstehen im rechten Winkel zueinander sowohl ein magnetisches wie auch ein elektrisches Feld. Es entsteht dadurch bei Wechselstrom ein Koordinatenkreuz mit wechselnden Richtungen, weshalb diese Felder zwar quer zur Bewegungsrichtung, aber dennoch als stehende Längswellen erzeugt werden.
Halten wir also fest: Die Wellenarten des Lichtes und eben alle „Elektromagnetischen Wellen“ sind rein mechanischer Natur und werden im Normalfall richtungsunabhängig polarisiert als Querwellen emittiert. Damit wissen wir nun, dass es sich durchweg um mechanische Wellen handelt, auch wenn sie durch elektrische- oder magnetische Teilchen erzeugt werden.
Damit stellt sich natürlich die Frage: „In welchem Medium breiten sie sich aus, denn bei mechanischen Wellen ist ein Medium zur Ausbreitung zwingend erforderlich.“ Darüber haben sich schon viele Wissenschaftler die Haare gerauft, denn bisher konnte man Dergleichen für die „Elektromagnetischen Wellen“ nicht nachweisen. Und zugegeben: Es ist eine merkwürdige Eigenschaft, dass diese Wellen als Querwellen emittiert werden. Aber dies ist gut so! Denn wären es sich konzentrisch ausbreitende Längswellen, so könnten wir nur schemenhafte Bilder unserer Umgebung und der dort vorhandenen Gegenstände wahrnehmen. Zudem hätten wir statt einer Netzhaut im Auge, eine Membrane wie im Ohr. Das dies richtig ist, erkennt man an Spalt- und Doppelspaltversuchen, womit sich zwar Interferenzbilder erzeugen lassen, nicht mehr jedoch ein scharfes Bild des jeweiligen Emitters. Wie Sie sehen konnten, ist es unabdingbar, dass es so ist. Nur aus diesem Grund können wir mit unseren Augen unsere Umgebung so hervorragend wahrnehmen. Entsprechend ihrer winzigen Wellenlängen mit hoher Frequenz und in unglaublich großer Anzahl vorkommend, sind sie für beste Bildqualität in unseren Augen verantwortlich.
Und weil man annehmen musste, dass es sich wirklich um einzelne Wellenstahlen oder sogar um Wellenabschnitte handelt, nahmen die Wissenschaftler an, dass es Photonen sein müssten, was aber bedeuten würde, dass man es mit Teilchen zu tun hätte. Dies ist eine vollkommen unsachgemäße Annahme, denn es sind und bleiben Wellen, was vielfach bewiesen wurde. Dabei ist es ein riesiger Vorteil, dass sich alle diese Wellen ungehindert durchlaufen können, ohne sich dabei auch nur im geringsten zu beeinflussen. Es sind und bleiben demnach Wellen, weil Teilchen sich nicht einfach gegenseitig durchdringen können. Und ganz offensichtlich vereinigen sie sich dabei nicht zu gemeinsamen Wellenfronten nach dem Huygens`schen Prinzip.
Allerdings gibt es wie oben erwähnt eine Ausnahme. Wandeln wir die Querwellen, indem wir sie durch enge Spalten schicken, so können sie sich tatsächlich gegenseitig beeinflussen und sogar gegenseitig auslöschen. Aber wir haben durch diese Maßnahme nun eine Form von Längswellen geschaffen und Längswellen lassen sich durch Interferenz beeinflussen.



Bildnachweis: Eigenanfertigung
Hierbei findet die Wandlung von Querwellen (links) zu Längswellen ( rechts ) statt!


Dabei kann eine Welle verstärkt werden, wenn ein Wellenberg auf einen Wellenberg, oder umgekehrt ein Wellental auf ein Wellental trifft. Anders ist es, wenn ein Wellenberg auf ein Wellental trifft. Hierbei löschen sich beide Wellen gegenseitig aus. Selbst diese Vorgänge sind rein mechanischer Natur und wir erleben es ab und zu auf den Ozeanen, wo wahre Monsterwellen durch Interferenz entstehen. Früher hatte man dies immer für Seemannsgarn gehalten, doch inzwischen konnte man mittels Satelliten Wellenhöhen bis 30m Höhe ermitteln, die selbst den größten Schiffen gefährlich werden und sie kommen viel häufiger vor als man je vermutet hatte.
Zusammenfassung: Ich hoffe, ich konnte Ihnen zeigen, das diese Wellen aufgrund ihrer Ausrichtung und Erzeugung als einzelne Wellen emittiert werden und dass es sich um rein mechanische Wellen handelt, wobei alle von oszillierenden, geladenen Teilchen emittiert werden.
Doch dies nur am Rande. Viel wichtiger ist es nun festzulegen, ob Gravitationswellen als Längs- oder Querwellen vorkommen! Oder vielleicht sogar in beiden Formen? An dieser Stelle müssten wir jedoch wissen, worin sich diese Wellen ausbreiten und worum es sich bei der Gravitation handelt.
Sie alle kennen die Geschichte mit Newton`s vom Baum fallenden Apfel, welcher ihn inspirierte und er daraufhin erstmals die Gravitationskraft beschrieb. Damit kennen wir aber nur die Wirkung und wie wir diese Kraft berechnen können, nicht jedoch die wahre Natur dieses Vorganges.
Es gibt da verschiedene Denkmodelle. Da wurde angenommen die Erde zieht uns mit Ihrer Gravitationskraft an, weshalb wir immer wieder schnell auf den Boden der Tatsachen zurückkommen, ganz gleich wie hoch wir uns darüber erhoben haben. Eine andere Theorie besagt, wir werden durch die Gravitationskraft auf die Erde gedrückt und die Erde mit ihrer Masse ist der Auslöser dieser von aussen kommenden Kraft.
Nehmen wir einmal an, diese Kraft wird durch sogenannte Gravitonen erzeugt (Begründer dieser Theorie ist Hideki Yukawa 1935), welche aus dem Weltall von der Masse der Erde angezogen werden, so befinden wir uns tatsächlich in dieser Strömung und diese drückt uns an die Erde, weil auch wir aus Masse bestehen und die Gravitonen durch uns hindurch müssen. Entsprechend unserer jeweiligen Massen bieten wir daher einen Widerstand und dieser ist es, der uns an die Erde drückt. Wie die Gravitonen dies machen ist unerheblich, denn laut Albert Einstein ist Masse und Energie äquivalent. Wenn aber die Gravitationswellen Längswellen wie beim Schall wären, so müsste diese Kraft in Wellenfronten bei uns eintreffen, wodurch es entsprechend der Wellenlängen und jeweiligen Stärken zu äußerst unangenehmen Oszillationen käme. Diese könnten uns regelrecht durchschütteln. Wir bemerken solche Wirkungen aber niemals, weshalb wir diese Wellenform mit großer Sicherheit ausschließen können. Aus diesem Grund müssten es Querwellen sein! Bei sehr großen Wellenlängen und enormen Stärken träte aber ein ähnlicher Effekt auf und wir würden hin- und hergeschüttelt. So gesehen wären wir wieder am Anfang angelangt, weil wir keine derartige Wirkung feststellen können. Bedeutet dies etwa, dass wir solche Wellen gänzlich ausschließen können?
Auch dies kann nicht richtig sein, denn wir spüren fortwährend die Kraft der Gravitation und wir können davon ausgehen, dass es sich um eine gleichmäßig strömende Kraft handelt. Dass wir von all dem nichts spüren, muss einen Grund haben, denn selbst im Weltall explodierende Sterne verursachen keine solchen Effekte auf unserer Erde. Dies kann nur bedeuten, dass jene Wellen sehr schwach und klein sind, sowie hohe Frequenzen besitzen! Nur so ist es erklärbar, dass sie auf uns keine durchschüttelnden Wirkungen zeigen. Zudem wissen wir, dass die Gravitation die schwächste alle Kräfte im Universum ist. Nur bei entsprechend großen Massen wie Planeten oder Sternen kann sie riesige Stärken erlangen. Schon aus diesem Grund müssen Gravitationswellen klein und schwach sein.
Was uns von explodierenden Sternen erreicht, sind stets nur das Licht, vermehrt Neutrinos, sowie harte Röntgen- und Gammastrahlung. Diese aber kommen immer zeitgleich bei uns an, weil in diesem Bereich nichts schneller als das Licht sein kann. Aus diesem Grund erfahren wir immer erst nach Jahrhunderten, Jahrtausenden oder gar erst nach Millionen Jahren, wenn ein Stern zur Supernova geworden ist. Wir sehen das Licht der Sterne noch, obwohl sie eventuell schon längst nicht mehr existieren. Dies liegt einfach an den großen Entfernungen, für die das Licht so unglaublich lange braucht, bis es uns erreicht.
Schon 1996 schrieb ich an einen Professor der Uni Bonn einen Brief, in dem ich darstellte, dass die Gravitationswellen keinesfalls an eine bestimmte Wellenlänge gebunden sein können und dass es Gravitationswellen in der Form, wie man sie sich bisher vorstellt, nicht vorkommen können. Aber kommen wir zu der Ansicht des Hideki Yukawa zurück. Er nahm an, dass das Weltall angefüllt ist mit Gravitonen. Also mit winzigen Teilchen, die mit größter Sicherheit noch viel kleiner als die Neutrinos sind, weil selbst so kleine Teilchen wie Elektronen und Neutrinos sich ohne Probleme in dem Ozean der Gravitonen bewegen können. Andererseits verursachen solche Teilchen wie Elektronen und Protonen durch ihre schnellen oszillierenden Bewegungen in diesem Medium Wellen. Was aber noch viel wichtiger ist: Dieses Medium strömt stets auf alle Materieansammlungen im Weltall zu, weshalb Albert Einstein annahm, dass die Gravitation die Wellen des Lichtes geringfügig ablenkt. Dies geschieht offensichtlich, wenn beispielsweise ein Lichtstrahl an einem großen Planeten oder einem Stern in großer Nähe vorbeizieht. Bei einer totalen Sonnenfinsternis konnte dies bestätigt werden. Aber wir kennen diesen Effekt auch bei anderen Objekten im Weltall. Wenn Licht einer weit entfernten Galaxie durch eine andere Galaxie im Vordergrund hindurch geht, entsteht manchmal ein Einsteinring, ein Einsteinkreuz oder sogar viele sichelförmige schmale Abbildungen einer weit im Hintergrund stehenden Galaxie.



Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung ©ESA / NASA, aufgenommen mit dem Hubble-Space-Teleskop
Der Galaxienhaufen Abbell 1689 mit Gravitationslinsen - Effekten


Überdenken wir nun die Wirkungsweise dieser Gravitonen, so können wir sogar annehmen, dass sie das so lange gesuchte Medium zur Ausbreitung der „Elektromagnetischen Wellen“ sind, denn wenn die Gravitation die Wellen des Lichtes ablenken kann, besteht zwischen ihnen eine konkrete Interaktion. Damit hat uns Albert Einstein einen direkten Hinweis gegeben. Und wir wissen nun, dass solche Wellen von den Gravitonenströmungen abgelenkt werden, weshalb wir keine Raumzeitkrümmungen mehr benötigen um solche Vorgänge erklären zu können. Zudem gibt es noch einige andere Hinweise, das jenes Medium existiert. Da ist einmal im Vakuum des Weltalls der auftretende Widerstand bei Geschwindigkeiten über 10% der Lichtgeschwindigkeit, welcher nach der gleichen Gesetzmäßigkeit ansteigt wie der Luftwiderstandsbeiwert (Cw - Wert genannt) in unserer Atmosphäre. Sodann die Tscherenkow - Strahlung bei Überlichtgeschwindigkeits - Effekten in dichten Medien wie Wasser oder komprimierten Gasen. Die Strahlung entsteht beispielsweise, wenn Teilchen wie Elektronen oder Protonen mit größerer Geschwindigkeit durch ein Medium geschossen werden, als dessen Brechungsindex die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Bei Wasser sind dies etwa 220.000 km /s.
Ganz ähnlich entsteht die in Beschleunigern auftretende Synchrotronstrahlung, welche immer dann in Erscheinung tritt, wenn Partikel nahe der Lichtgeschwindigkeit in eine Kurve gelenkt werden. Die Wellen aber laufen geradeaus weiter, weil sie nicht wie die elektrisch geladenen Teilchen durch elektrische- oder magnetische Felder abgelenkt werden können.
Ebenso unerklärlich wäre es, die Polarisation der „Elektromagnetischen Wellen“ ohne ein solches Medium im Weltall über viele Lichtjahre aufrecht zu erhalten. Und dann ist da noch die endliche Geschwindigkeit des Lichtes, die ebenso wie alle anderen Wellengeschwindigkeiten eine spezifische Geschwindigkeit ist. Ohne ein Medium müsste sie unendlich groß sein. Aber der wohl wichtigste Beweis sind die Evaneszenten Moden mit ihren Überlichtgeschwindigkeits - Effekten ( dargestellt von Professor Günter Nimtz, Universität zu Köln, Physik in unserer Zeit / 28. Jahrg. 1997 / Nr. 5 ). Diese können nur unter ganz bestimmten Voraussetzungen auftreten, die Sie ebenfalls unter meiner oben genannten Internetadresse nachlesen können:

„Wie kann Überlichtgeschwindigkeit entstehen?“


Hieran sehen Sie, wie vielfältig die Beweise vorhanden sind, auch wenn wir dadurch ein solches Medium nur indirekt nachweisen können. Die Gravitonen sind einfach viel zu klein, als dass wir ein Netz hätten, mit dem wir sie fangen könnten. Nun ist es mit Namen so eine Sache. Da man sich von dem altbekannten „Äther“ schon vor langer Zeit verabschiedet hatte, nennt man es heute Dunkle Energie und Dunkle Materie, weil man weiss, dass das Vakuum des Weltalls eben nicht absolut leer ist. Die Dichte der Dunklen Energie, sowie die Dichte der Dunklen Materie wird mit jeweils mal 10 -26 kg / m 3 angenommen. Dies stimmt mit meinen Berechnungen zur Gravitonendichte in etwa überein und beträgt etwa 100-mal weniger als die Masse eines Protons pro m 3.
Was aber sind dann die „Elektromagnetischen Wellen“? Wir haben gesehen, dass die Wellen des Lichtes rein mechanisch erzeugte Querwellen sind und sie breiten sich im Ozean der Gravitonen aus, wobei sie durch Strömungen darin geringfügig abgelenkt werden.

„Damit haben wir die Chance anzunehmen, dass die sogenannten „Elektromagnetischen Wellen“
in Wirklichkeit die so lange gesuchten Gravitationswellen sind!“




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