text: So gerade wie eine krumme Wasserwaage | Das Davidson-Institut für wissenschaftliche Bildung
  So gerade wie eine
  krumme Wasserwaage
  15. Oktober 2020 זמן קריאה משוער 9 דקות 9 Min.
  Über die durstigen Krähen, die verhinderten, Gravitationswellen zu erkennen; über die Wattestäbchen, die eine Serienmörderin erfanden; über das Geräusch, für das diejenigen einen Nobelpreis erhielten, die es erkannt haben; und über die Maßeinheiten, die einen Satelliten zerstörten. Messfehler, die Geschichte machten.
  Gute experimentelle Wissenschaft erfordert Präzision. Forscher sammeln Daten über das Universum, und durch Abweichungen in der Wellenlänge entdecken sie entfernte Planeten, die andere Sonnen umkreisen; komplizierte Detektoren nehmen minimale Gravitationswellen und schwer erkennbare Bosonen wahr, Chemiker genaueste Reaktionen zwischen Substanzen, die sorgfältig ausgewählt wurden. Wir können fast gar nichts über die Realität aussagen, wenn wir sie nicht beobachtet und gemessen haben.
  Aber manchmal gehen Dinge schief, und eine faszinierende Entdeckung enthüllt sich als Fehler, wenn sich herausstellt, dass sie auf falschen Daten oder einer falschen Analyse der Beobachtungen beruht hat. In anderen Fällen, viel seltener, ergibt das, was wir für einen Messfehler hielten, eine erstaunliche und bahnbrechende Entdeckung. Die Wissenschaft der Messfehler ist voller Messfehler, unvorgesehenen Störungen und sehr vielen Überraschungen.
  Himmlischer Ärger
  Als Albert Einstein 1916 die Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte, fehlten der Wissenschaft die Mittel, um ihre Prognosen zu beweisen. Unter anderem sagte Einstein die Existenz von Gravitationswellen voraus, die durch die Bewegung großer Massen innerhalb des Raum-Zeit-Gefüges des Universums erzeugt werden, aber während Jahrzehnten gab es keine geeigneten Detektoren, um die verschwindend kleinen Gravitationsschwingungen zu messen, die ihrerseits riesige Zusammenstöße zwischen Sternen verursachten, um seine Theorie zu beweisen. Wissenschaftler mussten genügend empfindliche Detektoren entwickeln, aber auch einen Weg finden, die unaufhörlichen Hintergrundgeräusche auf der Erde zu neutralisieren, die die Messung der Gravitationswellen stören.
  Um dieses Problem zu lösen, wurden in einem abgelegenen Gebiet in Hanford, Washington und woanders in Louisiana, LIGO-Detektoren gebaut. LIGO steht für "Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory". Die Detektoren, die Hunderte von Millionen US-Dollars kosteten, sind Interferometer, also Sensoren, die jede kleine Änderung beim hunderte Male Durchfluss eines Laserstrahls zwischen zwei senkrecht gegenüberstehenden Spiegeln messen, wobei jeder dieser Spiegel vier Kilometer lang ist. Wenn eine Gravitationswelle durch eine der beiden Ständer geht, an denen die Spiegel befestigt sind, bewegt er leicht den Laserstrahl und führt dazu, dass sein Weg um etwa ein Zehntausendstel eines Protons länger ist, und so entsteht eine winzige Zeitlücke im Vergleich zum Laserstrahl, der zum anderen Ständer geschickt wurde.
  Eine Investition von Hunderten von Millionen Dollars. Luftbild des LIGO-Detektors in Hanford. Quelle: Science Photo Library
  Eine so genaue Messung ist sehr störempfindlich, und tatsächlich beobachtete die Physikerin Beverly Berger im Juli 2017 mehrere nicht identifizierte Hintergrundgeräusche, die vom Detektor in Washington, aber nicht von dem in Louisiana, empfangen wurden – eine Art kurzer Ausbruch von schwachen Stößen, die eindeutig keine Gravitationswellen waren. Hatte sie ein neues Phänomen entdeckt? Und wenn nicht, wie kann die Störung neutralisiert werden?
  Nach einer anstrengenden Untersuchung führte eines der Mikrofone, die das Team, das an der Neutralisierung der Geräusche arbeitete, auf dem Feld aufgestellt hatte, zu einem eisbedeckten Rohr, das mit seltsamen Löchern übersät war. Eine gründliche Untersuchung ergab, dass dies Hackspuren eines großen Vogels waren. So wurde die Identität der Verbrecher gelüftet – es stellte sich heraus, dass die im Wüstengebiet lebenden Krähen ihren Durst mit Hilfe des Eises stillten, das sich auf dem gefrorenen Eis angesammelt hatte, und das Hacken ihrer Schnäbel störte die wertvollen Detektordaten.
  Ein Isolationsmaterial war schließlich für die Lösung des Problems dienlich, und die Krähen störten die Forscher nicht mehr. Bereits zuvor, am 14. Sept. 2015, zeichneten die Detektoren die gewünschte Schwingung auf – eine Gravitationswelle, die vor 1.3 Milliarden Jahren durch den Zusammenstoß von zwei schwarzen Löchern erzeugt wurde. Seitdem identifizierte LIGO einige weitere Gravitationswellen, und im Jahr 2017 erhielten die Wissenschaftler Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne den Nobelpreis für Physik für ihre zentrale Rolle bei der Entwicklung und der Leitung der Detektoren.
  Eine einfache Isolation löste das Problem mit den Krähen. Darstellung der mit Hilfe von LIGO entdeckten Gravitationswellen, Quelle: Science Photo Library
  Die Serienmörderin, die keine war
  Die Indizien führten zum einstimmigen Schluss: DNA-Tests zeigten, dass eine Serienmörderin am Werk war. Sie war in Verbrechen in vielen Städten in Mitteleuropa verstrickt. Es gab kein Muster, das ihre Verbrechen kennzeichnete, aber die forensischen Ergebnisse waren eindeutig – immer die gleiche Frau nahm an Dutzenden von Verbrechen teil, die während zwei Jahren in Deutschland begangen wurden. Die Liste ihrer Verbrechen enthielt das Töten einer Polizistin bei einem Zwischenfall mit Neo-Nazis in Heilbronn am 25. April 2007 und fünf weitere Morde, aber auch einfache Diebstähle, Raubüberfälle und ein Einbruch in eine Schule.
  Die deutsche Polizei kündigte eine Belohnung von etwa 300.000 Euro für denjenigen an, der die schreckliche Verbrecherin ausliefere, und die Medien gaben ihr einen Namen: das Heilbronner Phantom. Die Polizei war ratlos, und es wurde behauptet, dass sie sogar Mentalisten konsultiert hätte. Alles half nichts – es wurde kein Hinweis gefunden, und die Widersprüche zwischen den Indizien von den verschiedenen Tatorten häuften sich. Zeugen einiger der ihr zugeschriebenen Verbrechen behaupteten sogar, dass der Mensch, den sie gesehen hätten, sehr männlich aussehe.
  Am 26. März 2009, fast zwei Jahre nach Beginn der Untersuchung, explodierte der Ballon. Nach einer ausgiebigen Untersuchung gab die deutsche Polizei zu, dass die Schuld beim Wattestäbchen liege – die Wattestäbchen, die die Forensik zum Einsammeln der DNA-Proben an den verschiedenen Tatorten benutzte. Es stellte sich heraus, dass das Heilbronner Phantom eine Fabrikarbeiterin in Österreich war, die die Wattestäbchen berührt und mit ihrem eigenen genetischen Material beschmutzt hatte. Die Wattestäbchen wurden zwar einer Desinfektion in der Fabrik unterzogen, aber die Desinfektion erzielte die Vernichtung von Bakterien und anderen Krankheitserregern – und nicht die Reinigung von DNA-Resten.
  Abgesehen von der Lächerlichkeit der ganzen Angelegenheit hat das Drama eine erneute Debatte über die Glaubwürdigkeit von DNA-Tests in der Forensik und über deren Verwendung als Hauptbeweis zum Zweck einer Verurteilung vor Gericht ausgelöst. Aber umfangreiche Tests, die in Stuttgart unternommen wurden, ergaben keinerlei Hinweise auf weitere Infektionen von Wattestäbchen oder anderen genetischen Proben. Und der Mörder der Polizistin von Heilbronn? Er wurde bis heute nicht gefunden. Nach einigen Jahren wurde die Pistole der Polizistin in den Händen von rechtsextremen Aktivisten in Deutschland gefunden.
  Das Phantom war nur eine Fabrikarbeiterin, die keine Handschuhe bei der Arbeit benutzte. Im Bild: Ein Wattestäbchen, das zur DNA-Probe benutzt wird. Quelle: Shuttersto
  Der Lärm, der das Weltbild veränderte
  Im Jahre 1964 fanden sich Arno Penzias und Robert A. Wilson, Forscher der 'Bell Communication Laboraties', einem Problem gegenüber. Das feinfühlige Radioteleskop, das das Unternehmen gebaut hatte, nahm merkwürdige Geräusche wahr. Sehr schwache Mikrowellen, die von einer unbekannten Quelle kamen, störten die astronomischen Beobachtungen des Gerätes. Die beiden Forscher musste die Ursache dieser Störungen finden und beheben, damit sie das neue Teleskop benutzen konnten.
  Zuerst prüften sie den Verdacht, dass es sich um Lärm aus Radiosendungen aus New York, aber schlossen diese Möglichkeit ziemlich leicht aus, genauso wie andere technische Erklärungen. Die Untersuchung an Ort und Stelle der Antenne brachte andere Verdächtige auf den Plan – die Antenne war bedeckt mit Taubenkot eines Paares, das beschloss, im Herzen der empfindlichen Ausrüstung der Antenne zu nisten. Die beiden Forscher hatten keine Wahl – sie fingen die Tauben, reinigten beflissen die Antenne und entfernten alle Exkrementreste, im Glauben, dass nun die störenden Hintergrundgeräusche aufhören und zuverlässige Beobachtungen des Weltalls ermöglichen würden.
  Aber zu ihrer Überraschung hörte das Geräusch trotz all ihrer Bemühungen nicht auf, und weitere Tests, die fast ein Jahr andauerten, ergaben, dass von jedem Ort, wohin das Teleskop gerichtet war, eine Störung mit der gleichen Stärke kam. Nachdem alle plausiblen Ursachen der Störung ausgeschlossen wurden, blieb eine einzige Schlussfolgerung: Diese Mikrowellen sind ein echtes Phänomen, das einer wissenschaftlichen Erklärung bedarf. Mit der Hilfe des Astronomen und Physikers Robert Dicke gelangten sie zu dem Schluss, dass dies Echos von den allersten Momenten der Existenz des Alls seien.
  Die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung war der erste Beweis für die Urknalltheorie, die besagt, dass das ganze Universum an einem Punkt begonnen hat. Dafür erhielten Penzias und Wilson den Nobelpreis für Physik des 1978. James Peebles, der einer der führenden Theoretiker in der Erforschung der Hintergrundstrahlung war, erhielt den Nobelpreis im Jahr 2019. Die Erfahrung der beiden Forscher bewies etwas Weiteres: Nicht jedes Geräusch ist eine Störung, und nicht immer sind die Tauben schuld.
  Wie ein Paar Turteltauben. Wilson (hinten) und Penzias auf dem Hintergrund der Antenne, die die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt hat. Quelle: Science Photo Library
  Wie ein Paar Turteltauben (2): Eine Interpretation der Illustratorin Noah Katz zur Entdeckungsgeschichte der kosmischen Hintergrundstrahlung
  Die metrische Verwechslung
  Und schließlich können Fehler auch bei Maßstäben auftreten, nicht nur bei Messungen. So entdeckte NASA im Jahr 1999, dass ein teures Raumschiff außer Kontrolle geriet und verschwand, weil… falsche Messeinheiten benutzt worden waren.
  Am 11. Dezember 1998 wurde ein Satellit zur Untersuchung des Klimas auf dem Mars (Mars Climate Orbiter) ins All geschickt, der Informationen über das Klima und die Atmosphäre des roten Planeten liefern und als Relaisstation für ein Landugsraumschiff dienen sollte, der am Südpol des Planeten landen sollte. Nach einer neunmonatigen Reise begann der Satellit am 23. September 1999 das Manöver, um in die Umlaufbahn um den Mars zu gelangen, trat jedoch zu tief in die Umlaufbahn ein und verschwand. Er verbrannte wahrscheinlich in der spärlichen Atmosphäre des Mars, aber vielleicht wurde er auch wieder ins All hinausgestoßen. Die Mission war gescheitert.
  Die Untersuchung des Misserfolgs ergab einen peinlichen Fehler: Die Schubdaten, die von den Computern des Satelliten aufgezeichnet wurden, kamen von einem Teil des Unternehmens, das den Satelliten gebaut hatte, Lockhead Martin, und diese waren in amerikanischen Maßeinheiten (Pfund), wobei der Computer selber seine Berechnungen in metrischen Massen durchführte (Newton: die Kraft, die benötigt wird, um eine Masse von einem Kilogramm einen Meter weit pro Quadratsekunde zu bewegen). Der Fehler führte dazu, dass der Computer die Triebwerke des Satelliten falsch aktivierte und ihn in die falsche Richtung leitete.
  Im Nachhinein stellte sich heraus, dass mindestens zwei NASA-Ingenieure schon früh Fehler in der Flugbahn des Satelliten bemerkten, aber ihre Bemerkungen wurden ignoriert. Die meisten Aufgaben des Satelliten wurden schließlich von einem anderen Satelliten ausgeführt, der 2005 gestartet wurde: dem Mars Reconnaissance Orbiter, der bis heute Daten schickt.
  Derjenige, der verschwand, und derjenige, der bis heute verwendet wird. Mars Climate Orbiter (links) und Mars Reconnaissance Orbiter (rechts). Quelle: NASA
  Berechnungs- und Messfehler begleiten die Menschheit, seit Menschen begannen, die Realität systematisch zu untersuchen. Bereits Christopher Kolumbus irrte sich in seiner berühmten Reise und dachte, er sei nach Indien gelangt, da er den Erdradius falsch eingeschätzt hatte, und mehr als ein Jahrzehnt verging, bis seine Nachfolger entdeckten, dass es sich um einen damals unbekannten Kontinent handelte, der heute Amerika heißt.
  Seither und bis heute haben Pannen viele seltsame Wirkungen erzeugt. Die Neutrino-Partikel im OPERA-Experiment konnten, so schien es, die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, und dies weil eine Glasfaser falsch verbunden war; durch Zigarrenrauch wurde der Elektronenspin entdeckt; und noch und noch. Die wissenschaftliche Methode vermag zumeist die meisten Fehler herauszufiltern oder zumindest im Nachhinein zu korrigieren, aber sie ist auch nicht immun gegen menschliche Probleme und Schwächen. Aber selbst wenn Fehler auftreten, kann man zumindest fürs nächste Mal lernen, die Messgeräte zu verbessern und immer eine gesunde Skepsis zu bewahren.