Gravitationskonstante bleibt eine harte Nuss

Die Gravitation hält uns am Boden und lässt die Planeten um die Sonne kreisen. Doch diese Grundkraft exakt zu messen, ist enorm schwierig, noch immer gibt es große Abweichungen bei den Werten für die Gravitationskonstante G. Jetzt haben Physiker ein Experiment aus dem Jahr 2014 mit derselben Apparatur wiederholt und mithilfe neuer Analysemethoden überprüft. Das Ergebnis: Die neu gemessene Gravitationskonstante weicht signifikant vom alten Ergebnis ab – stimmt aber auch nicht mit dem von der CODATA festgelegten internationalen Referenzwert überein. Damit löst die neue Messung zwar nicht die Probleme rund um die Gravitationskonstante, sie bringt aber die Messtechnik voran und liefert Einblicke in mögliche Fehlerquellen, wie die Forschenden erklären.

Unter den vier Grundkräften ist die Gravitation die geheimnisvollste. Denn diese zwischen Massen wirkende Anziehung ist die einzige, für die bisher kein Vermittlerteilchen gefunden wurde. Zwar hat schon Isaac Newton diese Naturkonstante in seinem Gravitationsgesetz beschrieben und dank Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie können wir die Wirkung der Gravitation als Krümmung der Raumzeit beschreiben. Doch bis heute hat die Wissenschaft Schwierigkeiten, die Gravitationskonstante G präzise zu bestimmen. „Trotz seiner zentralen Rolle ist G bisher nur mit ungewöhnlich großer Unsicherheit bestimmt“, erklären Stephan Schlamminger vom US National Institute of Standards and Technology (NIST) in Maryland und seine Kollegen. Obwohl Wissenschaftler seit 225 Jahren versuchen, den genauen Wert für diese Kraft zu messen, und dabei immer ausgeklügelter Methoden einsetzen, liegen die Resultate weit auseinander – weiter als bei jeder anderen Grundkraft.

(Video: NIST)

Werte-Wirrwarr schon seit Henry Cavendish

Das wirft die Frage auf, ob nur Messunsicherheiten hinter den Abweichungen bei der Gravitationskonstante stecken oder ob unser Verständnis der Gravitation grundsätzliche Lücken aufweist. „Eine Möglichkeit, unser Wissen zu erweitern, besteht darin, immer neue, präzisere Experimente zu entwickeln“, erklären Schlamminger und sein Team. „Allerdings bringen diese allein nur wenig Nutzen: Die früheren, inkonsistenten Ergebnisse dominieren weiterhin den gewichteten Mittelwert und zusätzliche Daten allein können die Unstimmigkeiten zwischen den bestehenden Messungen nicht auflösen.“ Eine bessere Strategie sei es daher, Ausreißer unter den früheren Resultaten zu überprüfen – beispielsweise durch eine Wiederholung der Messungen mit möglichst derselben Apparatur.

Genau dieses Vorgehen wurde im Jahr 2014 bei einem Metrologie-Workshop beschlossen. Bei diesem hatten Forscher der zentralen Metrologie-Organisation, dem Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) in Frankreich, gerade neue Messergebnisse für G vorgestellt, die sie mit einer speziellen Torsions-Messapparatur ermittelt hatten. Diese Messapparatur basiert auf einem Experiment des britischen Forschers Henry Cavendish aus dem Jahr 1797. Kernstück seiner Apparatur bildete ein Torsionspendel – ein dünner, waagerecht aufgehängter Stab mit Gewichten an beiden Enden. Dieses Pendel hing über zwei rund 30 Zentimeter großen und 160 Kilogramm schweren Bleikugeln. Wenn nun eines dieser Gewichte in den Einflussbereich der Bleikugel kam, wurde sie leicht angezogen und diese Bewegung übertrug sich über den Stab auf das andere Gewicht. Dessen Auslenkung ließ sich messen.

Nach ähnlichem Prinzip funktioniert auch die Torsionswaage des BIPM. Als Messmassen dienen dabei vier Zylinder auf einem drehbaren Außenring. Im inneren Bereich stehen vier kleinere Messmassen auf einer Scheibe, die an einem haarfeinen Kupfer-Beryllium-Faden aufgehängt ist. Das gesamte Experiment ist in einer vibrationsgedämpften und isolierten Vakuumkammer untergebracht. Wie beim Cavendish-Experiment wird die von den Messmassen verursachte minimale Auslenkung der inneren Scheibe ermittelt.

Wiederholtes Experiment liefert weiteren „Ausreißer“

Der mit dieser Apparatur am BIPM gemessene Wert für die Gravitationskonstante lag im Jahr 2014 erheblich über dem Referenzwert des CODATA-Komitees, dem Gremium, das die global gültigen Richtwerte für Naturkonstanten und Basiseinheiten festlegt. Deshalb beschlossen die Forschenden, diese Messapparatur in die USA zu bringen und die Messungen am NIST zu wiederholen. „Das Replizieren des Experiments bot uns die Chance, es zu überprüfen und mögliche systematische Fehler zu finden“, erklären Schlamminger und seine Kollegen. Sie nutzten allerdings nicht nur dieselbe Apparatur, sie ergänzten das Prozedere auch durch einige zusätzliche Messungen. So legten sie in einer Messvariante eine elektrische Spannung an die inneren Massen an, die den Kupfer-Beryllium-Faden verdrehte – entgegen der Rotation, die durch den Gravitationseffekt der Messmassen bewirkt wurde. Indem die Physiker ermittelten, wie hoch die Spannung sein muss, um diese Anziehung genau auszugleichen, konnten sie den Wert für die Gravitationskonstante auf eine alternative Weise messen. Außerdem führten sie den Versuch mit Messmassen sowohl mit Messmassen aus Kupfer wie mit Saphir-Gewichten durch.

Nach gut zehn Jahre des Messens und Auswertens, haben Schlamminger und sein Team ihre Ergebnisse nun veröffentlicht. Demnach kommen sie für die Gravitationskonstante G auf einen Wert von 6,67387 x 10^-11 Meter³/ Kilogramm^-1/Sekunde². „Damit bestätigt unser Ergebnis weder die frühere Messung des BIPM noch die aktuelle Empfehlung der CODATA“, konstatieren die Physiker. Während der BIPM-Wert für G um rund 1,7 Zehntausendstel über dem CODATA-Referenzwert lag, ist das neue Resultat nun 6,4 Hunderttausendstel darunter. Zwar identifizierte das Team einige systematische Messunsicherheiten, diese verringern die Abweichung aber nur wenig. „Abschließend stellen wir fest: Auch wenn das Diagramm der für G ermittelten Werte durch unser Resultat eher noch wirrer erscheint, hoffen wir, dass wir zumindest mehr Klarheit in Bezug auf Ansatz, Technik und Durchführung gebracht haben“, schließen Schlamminger und sein Team. Damit erweist die Gravitationskonstante einmal mehr als harte Nuss, selbst für die Messspezialisten der Metrologie.

Quelle: Stephan Schlamminger (National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg, USA) et al., Metrologia, doi: 10.1088/1681-7575/ae570f

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar