Nach einem Jahrzehnt in einem verschlossenen Umschlag können Physiker die Geheimnisse der Gravitation noch immer nicht erklären.

Seit über einem Jahrzehnt hatte Stephan Schlamminger eine Zahl verfolgt, und er hatte sie gerade in einen Umschlag getan. Schlamminger, ein Physiker am National Institute of Standards and Technology, widmete Jahre der Messung der universellen Gravitationskonstante – eine Zahl, die so zentral ist, dass sie die Stärke der Schwerkraft im gesamten Kosmos bestimmt. In diesem Umschlag befand sich die Zahl, die die Ergebnisse seiner langjährigen Arbeit freilegen würde.

Eine der bekanntesten Kräfte im täglichen Leben ist die Schwerkraft. Sie hält Menschen auf der Erde, leitet Planeten um die Sonne und vereint Sterne zu Galaxien. Wissenschaftler haben ihre fundamentale Stärke noch nicht mit der Präzision bestimmt, die sie für andere grundlegende Naturkräfte erreicht haben. Diese Stärke wird durch großes G repräsentiert. Wissenschaftler versuchen, sie seit mehr als 225 Jahren zu messen, etwa ein Jahrhundert nachdem Isaac Newton sein Gesetz der universellen Gravitation einführte. Trotz Generationen zunehmend ausgefeilter Experimente bleibt die Gravitationskonstante weniger präzise bekannt als vergleichbare Konstanten, die mit Elektromagnetismus und den starken und schwachen Kernkräften assoziiert sind.

Gravity’s Weak Problem

Die Kraft der Schwerkraft ist bemerkenswert schwach. Ein Magnet, der nicht größer als eine Büroklammer ist, kann eine Büroklammer gegen die Gravitationskraft des gesamten Erdballs anheben, da die elektromagnetische Kraft ihre Stärke leicht übersteigt. Im Labor ist das Problem sogar noch gravierender: Forscher können Planeten nicht bewegen, um die Schwerkraft zu untersuchen, daher messen sie stattdessen die Anziehungskraft zwischen viel kleineren Objekten, die gewogen und präzise positioniert werden können.

Forscher versuchen, Gravitationskräfte zu entdecken, die unglaublich schwach sind, und die experimentellen Massen, die sie verwenden, sind etwa 500 Billionen Trillionen Mal weniger massiv als die Erde.

Measurements That Refuse to Agree

Die heutigen Messinstrumente sind hochsensibel, doch wiederholte Messungen von großer G liefern weiterhin leicht unterschiedliche Ergebnisse. Diese Unterschiede sind gering, etwa ein Tausendstel, aber sie sind größer als was Forscher normalerweise von gewöhnlichen experimentellen Fehlern erwarten würden. Eine plausible Erklärung ist, dass ein subtiler experimenteller Fehler übersehen wurde. Aber es gibt auch eine weitaus fesselndere Möglichkeit: Wissenschaftler könnten etwas über die sehr Natur der Gravitation übersehen.

Blinddaten und ein versiegelter Umschlag

Schlamminger und seine Kollegen wollten die Diskrepanz über große G durch die Wiederholung eines Präzisionsversuchs ausgleichen, der vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres, Frankreich, im Jahr 2007 durchgeführt wurde. Sie wollten zeigen, dass ein unabhängiges Team auf dem Campus von NIST in Gaithersburg, Maryland, ebenfalls dieselbe Messung unter Verwendung des im Wesentlichen gleichen Ansatzes erzielen könnte.

Schlamminger jedoch machte sich Sorgen über eine andere Fehlerquelle: sich selbst. Forscher können unbewusst zulassen, dass ihre Erwartungen beeinflussen, wie sie Messungen lesen oder damit arbeiten.

Er bat seinen Kollegen Patrick Abbott, einen Teil des Experiments zu verfremden, indem er eine geheime Zahl von den Gewichten einiger der Massen entfernte, die verwendet wurden. Abbott nahm die Zahl aus den sorgfältig gemessenen Gewichten, so dass Schlamminger nicht den tatsächlichen Wert von großer G erkennen konnte, den sein Team erzeugt hatte. Da Abbott die Zahl kannte, konnte er das Experiment im Unwissenheit über das korrekte Ergebnis analysieren. Die Korrektur zur Wiederherstellung der realen Antwort war in einem Umschlag versiegelt.

Der Moment der Wahrheit

Kurz davor, den Umschlag im Jahr 2022 zu öffnen, zögerte Schlamminger fast. Er hielt jedoch im letzten Moment inne, als er erkannte, dass sein Team einen subtilen Effekt im Zusammenhang mit dem Luftdruck noch nicht vollständig berücksichtigt hatte. Diese Erkenntnis, kombiniert mit der Tatsache, dass selbst kleinste Störungen in einem so empfindlichen Experiment von Bedeutung sein können, überzeugte ihn, die Enthüllung zu verschieben und die Analyse erneut zu prüfen.

Der Tag war endlich gekommen, das Ergebnis von mehr als zwei Jahren Arbeit. Um 15.00 Uhr am 11. Juli 2024 sollte Schlamminger seine Ergebnisse auf der jährlichen Konferenz für Präzisions-elektromagnetische Messungen in Aurora, Colorado, vorstellen. Seine Nervosität war so hoch, dass er die Vormittagsveranstaltungen komplett ausließ und stattdessen wiederholt überlegte, wie Tempera- und Druckschwankungen die Messung beeinflusst haben könnten.

„Ich hatte wirklich jedes ‚i‘chen gekritzelt und jedes ‚t‘chen überkreuzt im Experiment“, sagte er.

Schlamminger enthüllte die verborgene Zahl schließlich während seiner Nachmittagsvorstellung und verspürte sofort ein Gefühl der Erleichterung.

Das beabsichtigte Ergebnis des Experiments hing davon ab, dass Abbotts geheime Korrektur beträchtlich und negativ ausfiel, und so war es auch.

1. Der Morgen brachte ein Zeichen, das zu diesem Zeitpunkt günstig schien.
2. Erst später erkannte Schlamminger, dass es einen Nachteil gab.

Was das bedeutet

Ein kleiner Unterschied besteht, aber für die wichtigste Konstante der Natur reicht er aus, um Wissenschaftler dazu zu bringen, zu fragen, ob versteckte Fehler im Experiment oder etwas noch Seltsameres dafür verantwortlich sind. Die große und negative Korrektur trägt zu einem Rätsel bei, das die Physik seit 225 Jahren beschäftigt, anstatt es zu lösen.

Wesentliche Fakten

• Messabweichung: etwa ein Tausendstel
• Experimentdauer: 10 Jahre
• Korrektur versiegelt in Umschlag enthüllt am 11. Juli 2024 um 15.00 Uhr
• Experimentreproduktion: BIPM-Messung aus Sèvres, Frankreich, im Jahr 2007.
• Präsentationsort: Konferenz für Präzisions-elektromagnetische Messungen, Aurora, Colorado.
• Messziel: universelle Gravitationskonstante (groß G).

Wissenschaftler diskutieren noch immer die grundlegendsten Prinzipien der Natur. Ein Physiker widmete zehn Jahre seiner Arbeit der Sicherung einer Zahl, legte diese Korrektur in einen versiegelten Umschlag, um Verzerrungen zu vermeiden, und ließ dann Vormittagssitzungen aus, um die Spannung aufrechtzuerhalten, bevor er ihn schließlich öffnete. Der Umschlag enthüllte, dass das Experiment erfolgreich war, er warf aber auch eine Frage auf, die weitere Experimente zur Klärung erfordert.

Quellenmaterial: „Wissenschaftler öffneten nach 10 Jahren einen versiegelten Umschlag. Die Gravitation ergab immer noch keinen Sinn“, ScienceDaily.