Einstein gewinnt erneut: Der Weltraumsatellit bestätigt das Prinzip der schwachen Äquivalenz

Einstein gewinnt erneut: Der Weltraumsatellit bestätigt das Prinzip der schwachen Äquivalenz

Es gibt eine lange Tradition, das Prinzip der schwachen Äquivalenz, die Grundlage von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, experimentell zu testen.
Vergrößern / Es gibt eine lange Tradition, das Prinzip der schwachen Äquivalenz, die Grundlage von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, experimentell zu testen.

ONERA

Eine der kontraintuitivsten Vorstellungen in der Physik ist, dass alle Objekte unabhängig von ihrer Masse mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, auch als Äquivalenzprinzip bekannt. Dies wurde 1971 vom NASA Apollo 15-Astronauten David Scott während eines Mondspaziergangs denkwürdig illustriert. Über eine Live-TV-Übertragung ließ er gleichzeitig eine Falkenfeder und einen Hammer fallen, und die beiden Objekte schlugen gleichzeitig auf dem Boden auf.

Die experimentelle Überprüfung des Prinzips der schwachen Äquivalenz, das die Grundlage von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bildet, hat eine lange Tradition. Test für Test über viele Jahrhunderte hinweg hat sich das Prinzip der Äquivalenz bewährt. Und jetzt hat die Mission MICROSCOPE (MICROSatellite pour l’Observation de Principe d’Equivalence) den bisher präzisesten Test des Äquivalenzprinzips durchgeführt und Einstein erneut bestätigt, so ein kürzlich in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichter Artikel. (Weitere verwandte Artikel erschienen in einer Sonderausgabe von Classical and Quantum Gravity.)

Tests, 1,2,3

John Philoponus, der Philosoph des 6. Jahrhunderts, behauptete als erster, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt fällt, nichts mit seinem Gewicht (Masse) zu tun hat, und wurde später etwa 900 Jahre später zu einem großen Einfluss auf Galileo Galilei. Galileo hat angeblich Kanonenkugeln unterschiedlicher Masse vom berühmten Schiefen Turm von Pisa in Italien abgeworfen, aber die Geschichte ist wahrscheinlich apokryphisch.

Galiläisch gemacht Die Kugeln rollten schiefe Ebenen hinunter, was dafür sorgte, dass die Kugeln mit viel geringeren Geschwindigkeiten rollten, wodurch ihre Beschleunigung leichter zu messen war. Die Kugeln waren ähnlich groß, aber einige bestanden aus Eisen, andere aus Holz, wodurch ihre Masse unterschiedlich war. In Ermangelung einer genauen Uhr hat Galileo angeblich die Reise der Kugeln mit seinem Puls gemessen. Und wie Philoponus entdeckte er, dass die Bälle, egal wie geneigt, sich mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegten.

Später verfeinerte Galileo seinen Ansatz mit einem Pendelapparat, der darin bestand, die Schwingungsdauer von Pendeln unterschiedlicher Masse, aber gleicher Länge zu messen. Diese Methode wurde auch von Isaac Newton um 1680 und später, 1832, von Friedrich Bessel bevorzugt, der die Genauigkeit der Messungen erheblich verbesserte. Newton erkannte auch, dass sich das Prinzip auf die Himmelskörper erstreckte, indem er berechnete, dass die Erde und der Mond sowie Jupiter und seine Satelliten mit derselben Geschwindigkeit auf die Sonne fallen. Die Erde hat einen Eisenkern, während der Mondkern hauptsächlich aus Silikaten besteht, und ihre Massen sind ziemlich unterschiedlich. Allerdings haben die Laser-Mond-Ranging-Experimente der NASA Newtons Berechnungen bestätigt: Sie fallen tatsächlich mit der gleichen Geschwindigkeit um die Sonne.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts kombinierte der ungarische Physiker Loránd Eötvös den Pendelansatz mit einer Torsionswaage zu einem Torsionspendel und führte damit einen noch genaueren Beweis des Äquivalenzprinzips. Dieser einfache gerade Stab erwies sich als genau genug, um das Äquivalenzprinzip genauer zu testen. Torsionswaagen wurden auch in späteren Experimenten verwendet, beispielsweise in dem von 1964, bei dem Aluminium- und Goldstücke als Testmassen verwendet wurden.

Illustration der Satellitenmission MICROSCOPE.
Vergrößern / Illustration der Satellitenmission MICROSCOPE.

CNES

Einstein zitierte das Eötvös-Experiment zur Bestätigung des Äquivalenzprinzips in seiner Arbeit von 1916, die den Grundstein für seine allgemeine Relativitätstheorie legte. Aber die allgemeine Relativitätstheorie funktioniert zwar auf der Makroebene recht gut, versagt jedoch auf der subatomaren Ebene, wo die Regeln der Quantenmechanik ins Spiel kommen. Daher haben Physiker auf diesen Quantenskalen nach Äquivalenzverletzungen gesucht. Das wäre ein Beweis für eine mögliche neue Physik, die helfen könnte, die beiden zu einer großen Theorie zu vereinen.

Eine Methode zum Nachweis der Äquivalenz auf einer Quantenskala ist die Verwendung von Materiewelleninterferometrie. Es ist mit dem klassischen Michaelson-Morley-Experiment verwandt, bei dem versucht wurde, die Bewegung der Erde durch ein Medium namens luminiferous aether zu erfassen, von dem Physiker damals glaubten, dass es den Weltraum durchdringt. Im späten 19. Jahrhundert verwendete Thomas Young ein solches Instrument für sein berühmtes Doppelspaltexperiment, um zu testen, ob Licht ein Teilchen oder eine Welle ist, und wie wir heute wissen, ist Licht beides. Dasselbe gilt für Materie.

Frühere Experimente mit Materiewelleninterferometrie haben den freien Fall zweier Isotope desselben atomaren Elements gemessen und vergeblich gehofft, winzige Unterschiede zu entdecken. Im Jahr 2014 dachte ein Team von Physikern, dass es möglicherweise nicht genug Unterschiede zwischen ihren Zusammensetzungen gibt, um eine maximale Empfindlichkeit zu erreichen. Also verwendeten sie in ihrer Version dieser Experimente Isotope verschiedener Elemente, nämlich Rubidium- und Kaliumatome. Die Laserpulse sorgten dafür, dass die Atome vor der Rekombination in zwei getrennte Bahnen fielen. Die Forscher beobachteten das verräterische Interferenzmuster, was darauf hinweist, dass die Äquivalenz immer noch innerhalb von 1 Teil von 10 Millionen lag.

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