Künstliche Gravitationsfelder gibt es nur in der Science Fiction - bis jetzt. Diesen Frühling ist es Wissenschaftlern gelungen, eine Art künstliches Gravitationsfeld zu erzeugen: Es hat zwar nur die lokale Stärke eines Hundertstels eines Prozents der Erdanziehung: Doch das ist rund hundert Millionen Billionen mal stärker als erwartet.
Bei Meldungen wie dieser sollte man skeptisch sein: Doch die österreichischen Forscher um Martin Tajmar waren es auch. Sie führten rund 250 einzelne Messungen, verteilt über einen Zeitraum von mehreren Jahren durch. Sie verbesserten die Messvorrichtung wiederholt, um jede erdenkliche Fehlerquelle auszuschliessen: Schliesslich diskutierten sie die Ergebnisse intensiv für 8 Monate - nun sind sie sich sicher, einen realen Effekt gemessen zu haben: Das erste künstlich erzeugte Gravitationsfeld.
Die Gravitation ist die schwächste, aber auch geheimnissvollste der vier bekannten Naturkräfte (die anderen sind Elektromagnetismus sowie die starke und die schwache Kernkraft): Bisher ist es nicht gelungen, sie im Rahmen der Quantentheorie korrekt zu beschreiben: Trotz jahrzehntelanger Suche gibt es noch immer keine überzeugende "Quantentheorie der Gravitation". Die Gravitation wird aber ihrerseits äusserst zuverlässig durch die Relativitätstheorie von Einstein beschrieben: Diese aber macht keinerlei Aussagen über die anderen Naturkräfte. In der Relativitätstheorie ist die Gravitation keine Kraft im üblichen Sinne: Sie wird nicht durch Teilchen übertragen, sondern ist die Konsequenz der Verzerrung der Raumzeit durch die Anwesenheit von Materie oder Energie. So wie im beliebten Vergleich eine Kugel auf einem gespannten Gummituch durch die Anwesenheit einer anderen, schwereren Kugel auf ihrer Bahn abgelenkt wird, sind gemäss der Relativitätstheorie "geometrische" Effekte der Raumzeit (dem Gummituch) dafür verantwortlich, wenn die Gravitations"kraft" auf ein Objekt wirkt.
Die Relativitätstheorie und die Quantentheorie sind bis heute nicht zu vereinbaren - trotzdem sind beide Theorien in unzähligen Experimenten immer und immer wieder bestätigt worden: Sie sind beide "richtig" in dem Sinne, dass sie jeweils in ihrem Bereich korrekte Voraussagen machen. Es scheint so, als seien sie zwei Seiten derselben Sache: Und genau nach dieser "Sache" wird seit Jahrzehnten gesucht: Einer mathematisch-physikalischen Beschreibung aller Naturkräfte. Diesem Ziel ist man jetzt, mit den Forschungen von Tajmar und seinen Mitarbeitern, vermutlich ein gutes Stück weit näher gekommen.
Die Wissenschaftler, die für ihre Arbeit von der europäischen Weltraumorganisation ESA unterstützt wurden, beobachteten das sogenannte "gravitomagnetische Feld" eines mit 6500 Umdrehungen pro Minute rotierenden Supraleiter-Ringes. Dieses Feld hat nichts mit Magnetismus zu tun, obwohl es diesen im Namen führt. Gemeint ist die Ähnlichkeit in der Entstehungsweise des Feldes: Genauso bewegte elektrische Ladungen ein "elektromagnetisches Feld" erzeugen, bringen bewegte Massen (die "Ladung" der Gravitation) schwache Gravitationsfelder, eben "gravitomagnetische". Die Relativitätstheorie sagt voraus, dass diese Felder extrem schwach sein müssten - weit unter der Messgrenze für ein so kleines, massearmes Objekt wie einen rotierenden Supraleiter. Der jetzt gemessene Effekt übersteigt die Voraussage der Relativitätstheorie um erstaunliche 100 Millionen Billionen: er entspricht erstaunlichen 0.01% der Erdbeschleunigung (tatsächlich handelt es sich dabei meines Wissens um das erste Mal, bei dem sich eine Voraussage der Relativitätstheorie nicht bewahrheitet hat).
Dieses gravitomagnetische Feld trat toroidal zum Supraleiter auf: Das heisst, ein Masseteilchen, das von diesem Feld beeinflusst wird, würde den Supraleiter-Ring umkreisen, etwa so, wie ein Kupferdraht um eine Magnetspule gewickelt wird. Das Feld trat immer dann auf, wenn der rotierende Supraleiter beschleunigte, das heisst, wenn sich seine Rotationsgeschwindigkeit vergrösserte: Rotierte er konstant mit der gleichen Geschwindigkeit, blieb das Feld aus. Gemessen wurde das Feld mit hochempfindlichen Beschleunigungs-Sensoren, die innerhalb, direkt daneben, darüber sowie in einiger Entfernung zum Supraleiter-Ring positioniert wurden. Die Messungen zeigten, dass dieses künstliche Gravitationsfeld genau wie seine "natürlichen" Gegenstücke mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt.
Die Wissenschaftler versuchten dann, den Effekt mathematisch zu beschreiben: Bekannt war bereits, dass rotierende Supraleiter (also Stoffe, die unter einer bestimmten Temperatur keinen elektrischen Widerstand besitzen) ein schwaches Magnetfeld aufweisen, das sogenannte "London Moment". Um die beobachteten Effekte zu erklären, übertrugen die Wissenschaftler die sogenannten Maxwell-Gleichungen, die den Elektromagnetismus beschreiben, auf die Gravitation und modifizierten sie derart, dass sie ein "gravitomagnetisches London Moment" enthalten. Dieses, zusammen mit der Annahme, dass hypothetische "Gravitonen" in derselben Art "supraleitende Eigenschaften" vermitteln können wie die Photonen beim Elektromagnetismus, erlaubte ihnen, den berechneten Effekt zu modellieren.
"Rotierende Supraleiter" traten bereits einmal im Zusammenhang mit "künstlichen Gravitationsfeldern" auf: In den neunziger Jahren behauptete der Russe Podkletnov, der an der Universität in Tempere in Finnland arbeitete, mit rotierenden Supraleitern eine "Abschirmung" der Gravitation erreicht zu haben - über seinem Supraleiter, so behauptete er, wäre die Gravitation um einige Prozent verringert worden. Diese Ankündigung stiess weltweit auf ein breites Echo, und verschiedene ähnliche Experimente wurden aufgebaut: Keinem gelang eine international überzeugende Bestätigung. Letztes Jahr wurde allerdings bekannt, das der amerikanische Rüstungskonzern Boeing an einem Projekt arbeitet, das mit künstlichen Gravitationsfeldern zu tun haben soll - doch hier ist alles sehr vage. Das neue Experiment von Tajmar und seinen Mitarbeitern setzt nun eine neue Grenze für sogenannte "Abschirmungseffekte": sie können innerhalb der Messgenauigkeit (und diese ist, aus naheliegenden Gründen, sehr hoch) ausgeschlossen werden: Es wurde keine "Gravitationsabschirmung" irgend einer Art beobachtet.
Welche Auswirkungen hat dieses faszinierende Experiment auf uns? Wenn der Effekt von anderen Wissenschaftlern unabhängig bestätigt werden kann, dürften die Auswirkungen weitreichend sein. Künstliche Gravitationsfelder könnten eine sehr breite Anwendung finden, von alltäglichen Arbeiten bis zur Raumfahrt. Zurzeit sind die damit erzeugbaren Felder sehr gering, doch es wäre interessant zu wissen, ob sich der Effekt skalieren lässt: rotiert der Supraleiter schneller, oder nimmt man einen grösseren Supraleiter - lassen sich damit stärkere Gravitationsfelder erzeugen? Wäre es vielleicht möglich, Gravitationsfelder zu erzeugen, die stark genug sind, um sie in der bemannten Raumfahrt einzusetzen, sei es, in einer Form eines neuen Antriebs, oder auch, um die gesundheitsgefährdende Schwerelosigkeit während langer Raumflüge aufzuheben? Welche Modifikationen der Relativitätstheorie werden nötig sein, um diesen Effekt zu erklären? Führen solche Modifikationen vielleicht gar zu der lange gesuchten umfassenden Theorie aller Naturkräfte? Zurzeit ist höchstens eine Art "verhaltene Euphorie" angesagt: Die Ergebnisse müssen noch verifiziert werden, andere Erklärungen müssen geprüft und ausgeschlossen werden, bevor wir wirklich über den umfassenden Einsatz von künstlichen Gravitationsfeldern nachdenken können.
Original-Artikel bei der ESA
Einführung zum Effekt (PDF)