In diesem Jahr stehen die Wolfgang-Pauli-Vorlesungen im Zeichen der theoretischen Physik der Gravitationswellen, deren Existenz von Albert Einstein 1915 im Zusammenhang mit der Allgemeinen Relativitätstheorie postuliert wurde. Der ETH Zürich gelang es, eine der Koryphäen auf diesem Gebiet für die Wolfgang-Pauli-Vorlesungen zu gewinnen: Kip S. Thorne, emeritierter Feynman Professor für Theoretische Physik am California Institute of Technology (Caltech), wird kommende Woche in einer populärwissenschaftlichen Vorlesung und zwei weiteren Vorlesungen, die sich an das Fachpublikum richten, über Gravitationswellen referieren.

Direkter Nachweis noch nicht gelungen

Gemäss Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie entstehen Gravitationswellen, wann immer sich Massen im Universum bewegen. Sie pflanzen sich mit Lichtgeschwindigkeit fort und stören die Raum-Zeit-Geometrie. Die Gravitationswellen sind die «Kräuselung» der Raumzeit. Ihre Wirkung ist jedoch in unserem Sonnensystem mit seinen «gewöhnlichen» Planeten und deren Massen sehr klein. Zum Beispiel dehnt oder staucht die Gravitationswelle, die durch die Bewegung von Jupiter um die Sonne entsteht, einen Stab von einem Kilometer Länge nur um etwa ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons, und diese Änderung der Länge zieht sich über mehrere Jahre hin. Bis anhin ist es deshalb nicht gelungen, diese Wellen direkt nachzuweisen, obwohl es weltweit mehrere Einrichtungen gibt, die durch ausgeklügelte Messanordnungen an dem Nachweis arbeiten. Nur wenn etwa zwei Schwarze Löcher oder zwei Sterne einander umkreisen und zu einem einzigen verschmelzen, werden starke Gravitationswellen mit hoher Frequenz ausgesandt, die man direkt beobachten können sollte.

Kip Throne ist seit seiner Jugend begeistert von der Allgemeinen Relativitätstheorie: Bereits mit 13 Jahren las er ein Buch des theoretischen Physikers George Gamow, in dem auch die gekrümmte Raumzeit erwähnt wurde. «Ich las das Buch sechs Mal, habe mich in die Thematik verliebt und beschloss damals, wenn möglich als Erwachsener auf diesem Gebiet zu arbeiten», sagt Thorne. Am faszinierendsten ist für ihn vor allem der Prozess, der zu einer Entdeckung führt. Wenn er jahrelang hart an einem Puzzleteil der Natur arbeitet und dabei neue tiefgreifende Erkenntnisse gewinnt, die durch Beobachtungen bestätigt werden. «Die Momente plötzlicher Einsicht und neuer Entdeckungen sind die aufregendsten in meinem Leben. Sie kommen nicht oft vor, aber sie wiegen die ganze harte Arbeit auf.»

Schwere Kost leichter verdaulich

Thorne weiss, wie man komplexe Sachverhalte einem breiten Publikum zugänglich macht. In seinem populärwissenschaftlichen Buch «Gekrümmter Raum und verbogene Zeit, Einsteins Vermächtnis» hat er die Thematik bereits Laien zugänglich gemacht, und sein Vortrag am 16. Mai im Auditorium Maximum der ETH Zürich verspricht spannend zu werden. Anschaulich vermag er komplexe Sachverhalte zu erklären, etwa wie man sich die gekrümmte Raumzeit vorstellen kann: Die Masse eines Planeten wirkt demnach auf seine Umgebung etwa so, wie wenn man mit einer Faust die gerade Oberfläche eines Trampolins eindellt. Heute liegt dem Physiker vor allem am Herzen zu verstehen, wie gekrümmte Raumzeit sich in Extremsituationen verhält, wenn etwa Schwarze Löcher kollidieren. Herausfinden möchte er auch, was nahe der sogenannten Singularität geschieht, die sich am Horizont des Schwarzen Loches befindet und von der niemand genau weiss, was in ihr vor sich geht. Thorne hatte 1997 darauf gewettet (mit den Physikern Stephen Hawking und John Preskill), dass die Gravitation dort so stark sei, dass alles in ihrer Nähe zerstört werden würde: Materie, Raum und Zeit.

Pauli Lectures an der ETH

Die Wolfgang-Pauli-Vorlesungen sind eine seit 1962 jährlich stattfindende dreiteilige Vorlesungsreihe, die abwechslungsweise den Gebieten der Physik, Mathematik und Biologie gewidmet ist. Sie ist nach dem grossen theoretischen Physiker und Nobelpreisträger Wolfgang Pauli benannt, der von 1928 bis zu seinem Tode im Jahr 1958 als Professor an der ETH Zürich wirkte. Im Rahmen der Wolfgang-Pauli-Vorlesungen präsentieren hervorragende Referenten – in vergangenen Jahren eine ganze Reihe von Nobelpreisträgern – ihre wegweisende Forschung.
Das Programm:
The Warped Side of our Universe: From the Big Bang to Black Holes and Gravitational Waves: Montag, 16. Mai 2011, 20:15 Uhr, Auditorium Maximum.
Gravitational-Wave Astronomy: Status, Plans and Prospects: Dienstag, 17. Mai 2011, 20:15 Uhr, Auditorium Maximum
Vortexes and Tendexes Around Black Holes 2. Quantum Behavior of 40kg Mirrors in Gravitational Wave Detectors: Donnerstag, 19. Mai 2011, 20:15 Uhr, Auditorium Maximum