So wie die elektromagnetische Kraft durch Photonen übertragen wird, könnte die Gravitationskraft von einem Elementarteilchen namens Graviton vermittelt werden, glauben Wissenschaftler. Die meisten von ihnen bezweifeln jedoch, jemals einzelne Gravitonen nachweisen zu können. Denn die Gravitationskraft ist extrem schwach, und damit dürfte auch jede Wechselwirkung zwischen Gravitonen und Materie viel zu gering ausfallen, um sie in absehbarer Zeit aufzudecken.

Einige Physiker – darunter Freeman Dyson vom Institute for Advanced Study in Princeton, US-Bundesstaat New Jersey – gehen sogar noch einen Schritt weiter: Einen Graviton-Detektor zu entwickeln, so behaupten sie, könnte physikalisch sogar unmöglich sein. Zwar wurden bereits mehrere Detektorvarianten vorgeschlagen, doch auf Grund von Detektor- sowie Quantenrauschen würden sie alle erfolglos bleiben, prophezeite Dyson vergangenen Monat auf einer Konferenz zu Ehren seines 90. Geburtstags in Singapur.

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt die Existenz von Wellen in der Raumzeit voraus, genannt Gravitationswellen. Physiker nehmen an, dass diese Wellen aus Gravitonen bestehen, so wie elektromagnetische Wellen aus Photonen. Mit der üblichen Detektionsmethode für Gravitationswellen – zwei Lichtstrahlen werden von Spiegeln reflektiert und schließlich überlagert, um so winzige Differenzen in den jeweils zurückgelegten Wegstrecken zu messen – wäre ein Nachweis von Gravitonen allerdings undenkbar: Um die winzigen Längenunterschiede zu messen, die ein einzelnes Graviton voraussichtlich verursacht, müssten die Spiegel so enorm schwer sein, dass sie unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenstürzen und ein Schwarzes Loch bilden.

Am 20. September veröffentlichten Lawrence Krauss von der Arizona State University in Tempe und Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge ein Paper auf dem Preprint-Server arXiv [1]. Der Kosmologe und der Physiknobelträger schlagen darin vor, die Existenz von Gravitonen – und der Quantennatur der Schwerkraft – durch einige bereits vermutete, aber bisher noch unentdeckte Eigenschaften des frühen Universums zu überprüfen.

Mikrowellenhintergrund
© NASA / WMAP Science Team
(Ausschnitt)
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Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, hier aufgenommen von der US-amerikanischen Raumsonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), ist in eine Richtung polarisiert (dargestellt in weißen Streifen). Womöglich könnten Messungen der Polarisation bei ausreichender Empfindlichkeit die Existenz von Gravitonen beweisen.

Dem kosmologischen Standardmodell zufolge erhielt das Universum in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall einen immensen Wachstumsschub, bekannt als Inflation. Während dieser Phase sollten laut der allgemeinen Relativitätstheorie auch Gravitationswellen entstehen, die die Raumzeit entlang der einen Richtung strecken und entlang der anderen stauchen. Diese Deformationen hätten einen Einfluss auf die Schwingungsebene von elektromagnetischer Strahlung einschließlich der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Forscher suchen deshalb in der Polarisation des Mikrowellenhintergrunds nach Fingerabdrücken der Inflation, etwa in den Daten des Satelliten Planck von der Europäischen Weltraumorganisation ESA.

Quantensignaturen

Die Inflationsphase brachte die Gravitationswellen vermutlich in einem quantenmechanischen Prozess hervor: Im Vakuum des Weltraums entstanden und verschwanden laufend Gravitonen. Mit dem gängigen mathematischen Verfahren der Dimensionsanalyse zeigten Krauss und Wilczek, dass die Erzeugung von Gravitationswellen während der Inflation proportional zum Quadrat des planckschen Wirkungsquantums ist – einer fundamentalen Naturkonstante, die nur in der Quantentheorie auftaucht. Bei Gravitationswellen handle es sich also um ein rein quantenmechanisches Phänomen, so das Fazit der beiden.

Wenn dem tatsächlich so wäre, dann würde sich die Suche nach Gravitationswellenspuren in der Polarisation der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung "vielleicht als erster empirischer Test dafür eignen, ob die Schwerkraft quantisiert sein muss", erläutert Krauss.

Das Ergebnis, obwohl implizit in früheren Studien enthalten, "wird allgemein wenig beachtet", so Krauss. Anstatt irgendwelche neuen Vorhersagen oder neuartige Berechnungen anzustellen, betonen er und Wilczek, "machen wir lediglich auf vorhandene Ergebnisse und die Schlussfolgerung daraus aufmerksam, welche besonders beachtenswert scheint".

Da sich die während der Inflation erzeugten Gravitationswellen auf einzelne Gravitonen zurückführen lassen, "hoffen wir, letztlich ein einzelnes Graviton nachzuweisen, dessen Signal durch die Expansion des Universums verstärkt und dadurch überhaupt erst detektierbar wurde", erklärt Wilczek. "Das Universum dient uns als Experimentierplattform."

Folgen der Inflation

Der wesentliche Beitrag von Krauss und Wilczek bestehe darin, findet Kosmologe und Urheber der Inflationshypothese Alan Guth vom MIT, "einen entscheidenden Punkt klarzustellen: Die erwarteten Gravitationswellen gehen aus den Quanteneigenschaften des Gravitationsfeldes selbst hervor und sind nicht nur ein Nebenprodukt der Wechselwirkung von Gravitationsfeld und den Quantenfluktuationen anderer Felder".

"Wenn wir aus den Polarisationsmessungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung also aussagekräftige empirische Belege dafür erhalten, dass diese Gravitationswellen existieren, dann haben wir einen überzeugenden Beweis für eine Quantisierung der Schwerkraft", sagt er.

Stephen Boughn vom Haverford College in Pennsylvania will die Arbeit dagegen nicht so recht überzeugen. Der theoretische Physiker ist Mitautor einer Publikation, in der man ebenso wie Dyson mutmaßt, dass sich Gravitonen möglicherweise niemals nachweisen lassen [2]. "Die Stärke des Effekts hänge vom planckschen Wirkungsquantum ab, schreiben die Autoren; doch sie hängt auch von anderen Parametern der Inflationsphase ab", berichtet er. "Für mich hat es den Anschein, als böten sowohl die Inflationstheorie als auch die Quantengravitation genügend Spielraum, um sich so hindrehen zu lassen, dass sie mit den Beobachtungen – welche Polarisation auch immer man messen mag – übereinstimmen."

Dafür, dass so viel Wirbel darum gemacht werde, Quantentheorie und Gravitation zu vereinen, sei bislang allerdings wenig Fortschritt zu erkennen, meint Wilczek. Die Signaturen in der Polarisation "bieten möglicherweise eine Chance für neue Impulse".

Der Artikel erschien unter dem Titel "How to see quantum gravity in Big Bang traces" in Nature 10.1038/nature.2013.13834, 2013.