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Mit Laserlicht der Quantennatur der Gravitation auf der
Spur
Redaktion
/ Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf
astronews.com
22. Dezember 2025
Die von Einstein vorhersagte Existenz von Gravitationswellen
konnte vor zehn Jahren erstmals direkt nachgewiesen werden. Nun hat sich ein
Physiker Gedanken über ein spannendes Experiment gemacht, mit dem sich
Gravitationswellen nicht nur nachweisen, sondern auch manipulieren lassen. Würde
dies gelingen, wäre das ein Hinweis auf die Existenz von Gravitonen.
Schematische Darstellung des Interferometer-Aufbaus für
Licht unter dem Einfluss einer Gravitationswelle.
Bild: B. Schröder / HZDR [Großansicht] |
Verschmelzen zwei Schwarze Löcher miteinander oder kollidieren zwei
Neutronensterne, können Gravitationswellen entstehen. Sie breiten sich mit
Lichtgeschwindigkeit aus und verursachen winzige Verformungen in der Raumzeit.
Ihre Existenz wurde einst von Albert Einstein vorhergesagt und 2015 erstmals
direkt nachgewiesen. Nun geht Prof. Ralf Schützhold, theoretischer Physiker am
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), einen Schritt weiter. Er ersann ein
Konzept für ein Experiment, mit dem sich Gravitationswellen nicht nur
nachweisen, sondern sogar manipulieren lassen. Die Idee könnte auch neue
Hinweise auf die bisher nur vermutete Quantennatur der Gravitation liefern.
"Gravitation wirkt auf alles, auch auf Licht“, erläutert Schützhold. Und
diese Wechselwirkung findet auch beim Auftreffen von Gravitations- auf
Lichtwellen statt. Schützholds Idee: Von einer Lichtwelle lassen sich winzige
Energiepakete auf eine Gravitationswelle übertragen. Dabei nimmt die Energie der
Lichtwelle etwas ab und die Energie der Gravitationswelle um den gleichen
Energiebetrag zu. Diese Energie entspricht der eines oder mehrerer Gravitonen,
den in theoretischen Modellen angenommenen, aber bisher nicht nachgewiesenen
Austauschteilchen der Schwerkraft. "Die Gravitationswelle wird dadurch etwas
intensiver", erklärt der Physiker. Die Lichtwelle dagegen verliert die exakt
gleiche Energiemenge. Das führt zu einer winzigen Frequenzänderung der
Lichtwelle.
"Der gleiche Prozess kann auch umgekehrt ablaufen", fährt Schützhold fort.
Dabei gibt die Gravitationswelle ein Energiepaket an die Lichtwelle ab. Beide
Effekte, also die stimulierte Emission und die Absorption von Gravitonen,
sollten sich – wenngleich mit großem experimentellem Aufwand – messen lassen.
Die gewaltigen Dimensionen eines solchen Experiments hat Schützhold abgeschätzt:
So könnten Laserpulse im sichtbaren oder auch nahen infraroten Spektralbereich
bis zu eine Million Mal zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert werden.
Daraus ergibt sich bei einer etwa einen Kilometer langen Anlage eine optische
Weglänge von etwa einer Million Kilometern. Diese Größenordnung genügt für die
gewünschte Messung des durch Absorption und Emission von Gravitonen verursachten
Energieaustauschs zwischen Licht und einer zeitgleich einfallenden
Gravitationswelle.
Allerdings wäre die Frequenzänderung der Lichtwelle durch die Aufnahme oder
Abgabe der Energie eines oder mehrerer Gravitonen in Wechselwirkung mit der
Gravitationswelle extrem klein. Aber mit einem geschickt konstruierten
Interferometer sollten sich diese Frequenzänderungen nachweisen lassen. Zwei
Lichtwellen erfahren dabei unterschiedliche Frequenzänderungen – abhängig davon,
ob sie Gravitonen absorbieren oder emittieren. Nach dieser Wechselwirkung und
dem Durchlaufen der optischen Weglänge treffen sie wieder aufeinander und
erzeugen ein Interferenzmuster. Aus diesem lässt sich auf die erfolgte
Frequenzänderung und damit auf die Übertragung von Gravitonen schließen.
"Von der ersten Idee bis zum Experiment können schon einige Jahrzehnte
vergehen", sagt Schützhold. Aber vielleicht klappt das für sein Konzept etwas
schneller. Denn das LIGO-Observatorium – Kurzform für Laser Interferometer
Gravitational-Wave Observatory – zum reinen Nachweis von Gravitationswellen
zeigt starke Ähnlichkeiten. LIGO besteht aus zwei, jeweils etwa vier Kilometer
langen und im rechten Winkel zueinander angeordneten Vakuumröhren. Über einen
Strahlteiler wird ein Laserstrahl auf beide Arme des Detektors aufgeteilt.
Einfallende Gravitationswellen verzerren nun beim Durchlaufen die Raumzeit
minimal. Dadurch verändert sich die zuvor gleiche Länge der beiden Arme um
wenige Attometer (10-18 Meter). Diese winzige Längenänderung
verändert das Interferenzmuster des Laserlichts und erzeugt so ein
detektierbares Signal.
In einem an Schützholds Idee angepassten Interferometer könnten erstmals
Gravitationswellen nicht nur nachgewiesen, sondern über die stimulierte Emission
und Absorption von Gravitonen auch manipuliert werden. Mit Lichtpulsen, deren
Photonen miteinander verschränkt, also quantenmechanisch gekoppelt sind, ließe
sich laut Schützhold die Empfindlichkeit des Interferometers zudem deutlich
steigern. "Dann wären auch Rückschlüsse auf den Quantenzustand des
Gravitationsfeldes selbst möglich", sagt Schützhold. Ein direkter Nachweis für
das hypothetische und in der Physik intensiv diskutierte Graviton wäre das zwar
noch nicht. Aber immerhin ein starkes Indiz für seine Existenz. Denn wenn die
Lichtwellen in Wechselwirkung mit den Gravitationswellen nicht die
vorhergesagten Interferenzeffekte zeigen würden, wäre die gängige auf Gravitonen
aufbauende Theorie widerlegt.
Über sein Konzept berichtet Schützhold in einem Fachartikel, der in der
Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.
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