Poll: Weltraumtourismus
Für welchen Betrag würdest du ins All fliegen?
Home | News | Das Äquivalenzprinzip – Ein Beweis für die Stringtheorie?

Das Äquivalenzprinzip – Ein Beweis für die Stringtheorie?

Font size: Decrease font Enlarge font

Im Jahr 1971 hielt der Apollo 15 Astronaut Dave Scott seine Hände in Schulterhöhe auseinander, einen Hammer in der einen Hand und eine Feder in der anderen. Und während die Welt am Fernsehen zuschaute, ließ er los.

Es war ein seltsamer Anblick: die Feder schwebte nicht zum Boden, sie stürzte, und fiel so schnell wie der Hammer. Ohne Luftwiderstand, der die Feder bremsen konnte, trafen die beiden Objekte gleichzeitig auf den Mondstaub.

"Was wir nun wissen!" rief Scott. "Galileo hatte Recht."

Scott meinte ein berühmtes Experiment des 16. Jahrhunderts. Abhängig vom Erzähler der Geschichte, ließ Galileo Galilei entweder Bälle vom Schiefen Turm in Pisa fallen, oder rollte Bälle einen Weg zuhause hinunter. Das Resultat war in beiden Fällen das Gleiche: Obwohl die Bälle aus verschiedenen Materialien bestanden, erreichten sie den Boden zur gleichen Zeit.

Heute ist dies als "das Äquivalenzprinzip" bekannt. Gravitation beschleunigt alle Gegenstände gleich, unabhängig von ihrer Masse oder dem Material aus dem sie bestehen. Das ist einer der Eckpfeiler der modernen Physik.

Aber was wenn das Äquivalenzprinzip (AP) falsch ist?

Galileo's Experimente waren nur zu etwa 1% genau, was Raum für Zweifel lässt. Skeptische Physiker haben das AP seitdem immer wieder getestet. Die größte Genauigkeit derzeit liegt bei ein paar Teilen zu einer Billion (1012), erzielt mit Laser-Entfernungsmessungen des Mondes, wie schnell er um die Erde herum fällt. Dies ist fantastisch genau und trotzdem bleibt die Möglichkeit bestehen, dass das Äquivalenzprinzip bei noch genaueren Messungen versagen könnte. 

"Dies ist eine Möglichkeit die wir untersuchen müssen," sagt der Physiker Clifford Will, von der Washington University in St. Louis, Missouri. "Selbst die kleinste Differenz in der Art und Weise wie die Gravitation auf verschiedene Materialien wirkt, hätte enorme Auswirkungen."

Dies könnte sogar eine der ersten echten Hinweise für die Stringtheorie liefern. Die Stringtheorie erklärt die Elementarteilchen elegant als unterschiedliche Vibrationen von sehr kleinen Strings, und löst damit viele vorhandene Probleme der modernen Physik. Die Stringtheorie ist jedoch sehr kontrovers, in Teilen weil viele ihre Vorhersagen fast unmöglich durch Experimente zu überprüfen sind. Wenn es nicht überprüfbar ist, ist es keine Wissenschaft.

Das Äquivalenzprinzip könnte eine Möglichkeit liefern, die Stringtheorie zu testen.

"Einige Varianten der Stringtheorie sagen die Existenz einer schwachen Kraft vorher, welche dazu führen würde, dass der Einfluss der Gravitation auf verschiedene Materialien leicht unterschiedlich wäre," sagt Will. "Einen unterschiedlichen Einfluss der Gravitation auf verschiedene Materialien zu finden, würde die Stringtheorie nicht sofort als richtig beweisen, aber der Theorie unterstützende Hinweise liefern."

Diese neue Facette der Gravitation, wenn sie existiert, wäre so schwach, dass ihre Entdeckung eine gewaltige Herausforderung wäre. Die Gravitation selber ist eine relativ schwache Kraft -- sie ist Billionen Billionen Billionen (1036) Mal schwächer als die elektromagnetische Kraft. Theoretiker glauben, dass die neue Kraft mindestens 10 Millionen Millionen (1013) Mal schwächer wäre als die Gravitation.

So wie Magnetismus auf Objekte aus Eisen, und nicht aus Plastik, wirkt, würde die neue Kraft nicht alle Materie gleich beeinflussen. Die Kraft auf ein Objekt würde von seiner Zusammensetzung abhängen.

Einige Versionen der Stringtheorie zum Beispiel sagen, dass die neue Kraft mit der elektromagnetischen Energie des im Objekt enthaltenen Materials wechselwirken würde. Zwei Atome mit der gleichen Masse, können verschiedene Beträge elektromagnetischer Energie enthalten, eines hat z.B. mehr Protonen, die elektrisch geladen sind, während das andere mehr Neutronen hat, die keine Ladung besitzen. Die traditionelle Gravitationskraft würde auf beide Atome gleich wirken, aber Gravitation, welche die neue Kraft enthält, würde geringfügig anders auf diese beiden Atome wirken.

Bisher hat noch kein Experiment diesen winzigen Unterschied feststellen können. Aber nun schlagen drei Gruppen von Wissenschaftlern Experimente im Weltraum vor, welche diesen Effekt mit einer größeren Empfindlichkeit als bisher jagen würden.

"Was man machen möchte, ist es zwei Testmassen aus unterschiedlichem Material zu nehmen, und nach kleinen Unterschieden Ausschau halten, wie schnell sie fallen," sagt Will. "Auf der Erde kann ein Objekt nur eine kurze Zeit fallen, bevor es auf den Boden trifft. Ein Objekt in der Erdumlaufbahn, fällt für eine lange Zeit buchstäblich um die Erde herum." Winzige Unterschiede in der Anziehungskraft der Gravitation, würden sich mit der Zeit ansammeln, und vielleicht groß genug werden um sie messen zu können.

Eine Testmission, genannt der Satellite Test of the Equivalence Principle (STEP), wird derzeit von der Stanford Universität und einem internationalen Team von Kollaborateuren entwickelt. STEP wäre in der Lage eine Abweichung im Äquivalenzprinzip von eins in einer Million Billion (1018) zu entdecken. Das ist 100.000 Mal genauer als die derzeit besten Messungen.

STEP's Design verwendet vier Paare von Testmassen, anstelle von nur einem Paar. Die Redundanz ist dafür da zu sehen, dass jede Abweichung, die in der Fallgeschwindigkeit der Testmassen beobachtet werden kann, wirklich auf einer Verletzung des Äquivalenzprinzips beruht, und nicht durch Störungen oder Fehler in der Hardware ausgelöst wird.

"Wenn man versucht einen so winzigen Effekt zu messen, muss man so viele externe Störungen wie möglich verhindern," erklärt Will. STEP´s Aufbau platziert die Testmassen in einen großen Tank, gefüllt mit flüssigem Helium, um sie so von externen Temperaturschwankungen zu isolieren, und umgibt die Massen mit einer supraleitenden Hülle, um sie so vor magnetischen und elektrischen Interferenzen abzuschirmen. Mikro-Schubdüsen wirken dem atmosphärischen Zug in der Umlaufbahn der Satelliten entgegen, und machen den freien Fall der Testmassen nahezu perfekt. 

In dieser reinen Umgebung sollte jedes Paar der Testmassen perfekt zum anderen ausgerichtet bleiben, während sie um die Erde herum fallen -- wenn das Äquivalenzprinzip stimmt. Wenn diese neue Komponente der Gravitation jedoch stimmen sollte, wird eine der beiden Testmassen mit einer leicht unterschiedlichen Rate fallen als sein Partner, und das Paar wird mit der Zeit leicht auseinanderdriften.

Derzeit befindet sich STEP noch in der Design Phase. Ein weiteres Experiment mit einem Satelliten, dem von Frankreich entwickelten Mikro-Satelliten à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence (MICROSCOPE), soll im Jahr 2010 starten. MICROSCOPE wird zwei Paare von Testmassen an Bord haben anstelle von vier, und in der Lage sein eine Verletzung des Äquivalenzprinzips mit einer Größe von einem Teil in einer Million Billion (1015) zu entdecken.

 Das dritte Experiment ist der Italienische Satellit Galileo Galilei ("GG" in Kurzform), der auf die gleiche Art wie STEP und MICROSCOPE arbeitet, allerdings nur ein Paar von Testmassen an Bord hat. Um seine Genauigkeit zu verbessern wird der Galileo Galilei Satellit sich mit einer Rate von 2 Umdrehungen pro Sekunde um seine zentrale Achse drehen. Auf diese Art und Weise ziehen alle Störungen innerhalb des Satelliten mit gleicher Kraft in alle Richtungen. Das Experiment sollte in der Lage sein eine Genauigkeit von einem Teil in hundert Millionen Billionen (1017) zu erreichen.

Ob eine dieser Missionen eine Chance hat eine Verletzung des Äquivalenzprinzips zu finden ist schwer zu sagen. Will sagt, dass er erwartet, dass das Experiment keine Abweichungen finden wird, teilweise weil dies solch eine riesige Revolution für die moderne Physik wäre. Und die Stringtheorie gibt einen Bereich von Vorhersagen an, wie stark diese neue Kraft wäre, weshalb es möglich wäre, dass der Effekt auch für diese Instrumente zu klein ist, um entdeckt werden zu können.

Keine Abweichung zu finden wäre trotzdem hilfreich: dies würde einige Variationen der Stringtheorie verwerfen und Physiker hin zur richtigen "Theorie von Allem" führen. Eine Abweichung zu finden, obwohl klein, wäre ein gewaltiger Schritt.

Quelle:

Comments (0 posted):

Post your comment comment

Please enter the code you see in the image:

  • email Email to a friend
  • print Print version
  • Plain text Plain text
Tags
No tags for this article
Rate this article
0