Der Wert der Gravitationskonstanten G, die die Anziehungskraft zwischen Objekten beschreibt, gibt Fachleuten weiterhin Rätsel auf. Eine zehn Jahre andauernde Studie, die ein älteres Ergebnis wiederholen und überprüfen sollte, lieferte nun einen ganz anderen Wert als die ursprüngliche Messung. Und der weicht auch von der derzeit besten Schätzung von G ab.

Die erste Messung führten Fachleute 2013 am Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Paris durch – und sie lieferte ein überraschendes und stark von anderen Messungen abweichendes Resultat. Die neue Arbeit gibt wichtige Hinweise darauf, dass zwei Fehlerquellen das ursprüngliche Experiment fehlschlagen ließen. Da jedoch der nun erhaltene neue Wert von G ebenfalls nicht mit dem international vereinbarten CODATA-Wert der Gravitationskonstanten übereinstimmt, ist die Fachwelt dem wahren Wert auch durch das zweite Experiment nicht näher gekommen.

Die Arbeit sei frustrierend, sagt der Physiker Stephan Schlamminger von der US-amerikanischen Behörde NIST (National Institute of Standards and Technology), der die jüngste Forschung leitete. Dennoch trieb ihn die Herausforderung weiter an. »Es muss irgendwie möglich sein, diese Zahl zu messen.«

Die Untersuchung der Gravitationskonstanten ist für Physikerinnen und Physiker meist nur eine Nebenbeschäftigung. Auch wenn G die Stärke einer der Grundkräfte des Kosmos beschreibt, braucht man diesen Wert in der Praxis nur sehr selten. Die meisten Anwendungen, wie die Berechnung von Planetenbahnen, erfordern lediglich das Produkt aus G und einer Masse, etwa der Sonne, und Messungen können diesen kombinierten Wert mit hoher Präzision bestimmen. »Die Suche nach G hilft zwar dabei, die Messtechniken für andere Präzisionsexperimente zu verbessern«, sagt Schlamminger, »aber sie ist derzeit eine ziemlich nutzlose Zahl.«

Die akribische Arbeit des NIST-Teams wird Forschenden künftig helfen, sagt dagegen Richard Brown, Metrologe am britischen National Physical Laboratory in Teddington. »Die Arbeit ist in dieser Hinsicht ein großer Sprung nach vorn.«

Die am ungenauesten bestimmte Naturkonstante

Die Bemühungen, die Gravitationskonstante zu messen, reichen bis ins Jahr 1798 zurück. Über die Jahrhunderte haben sich die Versuchsideen stetig weiterentwickelt: von schwingenden Pendeln über das Wiegen von Massen bis hin zur Aufzeichnung der Bahnen von Atomen. »Meiner Meinung nach ist es das anspruchsvollste Laborexperiment überhaupt«, sagt der Physiker Christian Rothleitner vom Physikalisch-Technischen Bundesinstitut (PTB) in Braunschweig.

Eine Schwierigkeit besteht darin, dass die Schwerkraft abermilliarden Mal schwächer ist als die anderen Grundkräfte unserer Welt, der Elektromagnetismus sowie die starke und schwache Kernkraft. Wenn man ein Objekt in die Hand nimmt, überwindet man bereits die Anziehungskraft eines ganzen Planeten. Ein weiteres Problem ist, dass sich Experimente unmöglich gegen unerwünschte Gravitationskräfte abschirmen lassen, was es schwierig macht, die Gravitationskonstante isoliert zu betrachten.

Mit einer Unsicherheit von etwa 1 zu 5000 bleibt G die am ungenauesten bestimmte Naturkonstante. Hinzu kommt, dass sich Forschende die Streuung der experimentell bestimmten Werte nicht erklären können.

2014 brachte das NIST deshalb führende Fachleute auf dem Gebiet zu einer Krisensitzung zusammen. Ziel war es, herauszufinden, warum das 2013 gemessene BIPM-Ergebnis so ein großer Ausreißer war. Infolgedessen wurde Schlamminger dazu verdonnert, das Experiment zu replizieren, erzählt der Physiker Jens Gundlach von der University of Washington. »Die Community bat ihn inständig darum, und er übernahm diese Aufgabe widerwillig.« Dafür wurde die gesamte Apparatur des französischen BIPM-Experiments im Jahr 2016 in die USA ans NIST geliefert.

Wie stark ziehen sich zwei Massen an?

Die älteste Methode zur Bestimmung der Gravitationskonstanten, die auch Schlammingers Team und das BIPM nutzten, besteht darin, die Anziehungskraft zwischen zwei Massen zu messen. Dafür bringt man an den beiden Enden einer waagerecht platzierten, in der Mitte aufgehängten Stange zwei Testmassen an sowie zwei größere Massen außerhalb von diesen. Die Stange beginnt sich dann durch die gravitative Anziehungskraft zu drehen, woraus sich schließlich G berechnen lässt. In der neuesten Version des Experiments wurden verschiedene Methoden für die Messung der Anziehungskraft genutzt.

Um eine unbewusste Verfälschung der Ergebnisse zu vermeiden, führte das Team um Schlamminger das Experiment blind durch: Ein unabhängiger Außenstehender fügte den Daten einen unbekannten Versatz hinzu, der erst am Ende des Versuchs wieder entfernt wurde.

»Versuche zur Bestimmung der Gravitationskonstanten sind sehr anstrengend, und das letzte Jahrzehnt war eine emotionale Achterbahnfahrt«Stephan Schlamminger, Physiker

Die Fachleute ermittelten so einen Wert von G = 6,67387 · 10^-11 m³kg^-1s^-2, der um 0,0235 Prozent vom früheren BIPM-Wert abweicht. Das Ergebnis liegt damit deutlich unter dem international vereinbarten CODATA-Wert von 6,67430 · 10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻² (die Fehlerbalken der beiden Werte überlappen sich aber ganz knapp). Das könnte darauf hindeuten, dass der wahre Wert von G in Wahrheit kleiner ist als der vereinbarte Wert, der durch den BIPM-Wert nach oben verzerrt wird. Zudem gäben die meisten Teams zu kleine Unsicherheiten für ihre Experimente an, sagt Schlamminger. All das verschleiert den realen Wert von G.

Die Ergebnisse von Schlammingers Team offenbarten jedoch bislang verborgene systematische Fehler in den BIPM-Ergebnissen. Im Vergleich zum NIST-Aufbau seien die zylindrischen Kupfermassen des BIPM nicht so präzise geformt gewesen, sagt Terry Quinn, ehemaliger Direktor des Pariser Labors. Das NIST-Team entdeckte zudem eine zuvor nicht berücksichtigte Kraft, die vom Gasdruck im Inneren des Behälters herrührte.

Ungewisse Zukunft

Auch wenn G in der heutigen Forschung keine wichtige Rolle spielt, könnte sich das künftig ändern. Wenn theoretische Physiker einen Weg finden, die Gravitationskonstante aus den Grundprinzipien des Fachs vorherzusagen, braucht man einen experimentellen Wert, mit dem man sie abgleichen kann, sagt Schlamminger. Und Gundlach betont, dass die Gravitationskonstante – die die Entstehung von Galaxien und die Ausdehnung des frühen Universums beeinflusste – auch für die Kosmologie wichtig werden könnte.

Obwohl der BIPM-Aufbau nach wie vor die Standardmethode zur Messung von G ist, wenden mehrere Gruppen inzwischen auch weniger erforschte Methoden an, etwa indem sie frei fallende Testmassen untersuchen oder die Bahnen von Atomen. »Ich hoffe, dass das aktuelle Ergebnis neue Experimente anstoßen wird«, sagt Rothleitner. Schlamminger betont, dass er mit G experimentell fertig sei, sich aber weiterhin für das Thema interessiere. Versuche zur Bestimmung der Gravitationskonstanten seien sehr anstrengend, und das letzte Jahrzehnt sei eine emotionale Achterbahnfahrt für ihn gewesen.