Laserlicht und die Quantennatur der Gravitation
Neues Konzept zur Energieübertragung zwischen Gravitationswellen und Licht könnte Hinweise auf Quanteneigenschaften der Schwerkraft liefern.
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 2015 erstmals direkt experimentell nachgewiesen. Nun geht 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“, sagt 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 Quant 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.
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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 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) zum reinen Nachweis von Gravitationswellen zeigt starke Ähnlichkeiten. LIGO besteht aus zwei, jeweils etwa vier Kilometer langen und im rechten Winkel zueinander angeordneten Vakuumröhren in den USA. 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. 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 sind, ließe sich laut Schützhold die Empfindlichkeit des Interferometers zudem deutlich steigern. „Dann wären auch Rückschlüsse auf den Quantenzustand des Gravitationsfelds selbst möglich“, sagt Schützhold. Ein direkter Nachweis für das hypothetische und 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. [HZDR / dre]
