US-Physiker können jetzt die Gravitationskonstante aufgrund von Wellenmustern in Cäsium-Atomen bestimmen. Und erhoffen sich davon grössere Genauigkeit. «Was die Welt im Innersten zusammenhält», weshalb Körper zueinander hin schwer sind und sich gegenseitig anziehen, beschäftigt nach Goethes Faust auch heute noch die Wissenschaftler. Tatsächlich entzieht sich ausgerechnet die Gravitation, diejenige Feldkraft, die wir als einzige im täglichen Leben als «Erdanziehung» sinnlich wahrnehmen können, noch immer dem menschlichen Verstehen.
Immerhin hat aber bereits Isaac Newton im Jahr 1687 aufgrund der von Galilei und Kepler gemachten Beobachtungen das Gravitationsgesetz definiert, mit dem er unter anderem die elliptische Form der Planetenbahnen erklären konnte. Kernstück ist die Gravitationskonstante «G», mit der bei bekanntem Abstand zweier punktförmiger Objekte deren gegenseitige Massenanziehungskraft bestimmt werden kann.
Es vergingen jedoch nochmals etwa 100 Jahre, bevor es Henry Cavendish gelang, den Wert der Gravitationskonstante mit einer Drehwaage indirekt zu ermitteln. Dabei mass er die Ablenkung, die zwei aufgehängte Kügelchen erfahren, wenn sie von einer definierten Masse umkreist werden. Obwohl die dabei wirkenden Gravitationskräfte sehr schwach sind und die Messung anfällig ist für Fehler (von den Torsionskräften im Aufhängefaden bis zu Ebbe und Flut kann ungefähr alles das Resultat verfälschen), schaffte es Cavendish mit seiner Methode, «G» auf ein Prozent genau zu berechnen.
Noch zu ungenau
Inzwischen wurde das Prinzip der Drehwaage so weit verfeinert, dass die Gravitationskonstante mit einer Ungenauigkeit von 0,15 Promille bestimmt werden kann. Trotzdem ist G unter allen Naturkonstanten wegen der erwähnten Messprobleme immer noch diejenige mit der grössten Ungenauigkeit.
Der amerikanische Physiker Jeffrey Fixler beschreibt nun in der neuesten Ausgabe von «Science» eine komplett neue Methode, wie die Gravitationskonstante bestimmt werden kann. Er und seine Kollegen gehen von den de Broglie-(Materien-)Wellen aus, die von Cäsium-Atomen abgestrahlt werden. Wird nämlich ein massiger Bleibrocken in die Nähe des Cäsiums gebracht, verändert dies die Wellenmuster, und aus diesen Verschiebungen können die Physiker die Gravitationskonstante errechnen. Noch sind sie mit ihrer Methode etwa 30 Mal ungenauer als die beste Drehwaage. «Aber wir haben gezeigt, dass das Prinzip funktioniert», schreibt Fixler. Und ist überzeugt, dass diese Technik Zukunft hat.
«Science» Vol. 315, 5. Januar 2007