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Raum-Zeit Wirbel

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NASA's Gravity Probe B Raumschiff hat alle notwendigen physikalischen Daten gesammelt, um eine bizarre Vorhersage aus Einstein´s Relativitätstheorie zu überprüfen.

Befindet sich die Erde in einem Wirbel aus Raum-Zeit?

Wir werden die Antwort bald kennen: Ein physikalisches Experiment von NASA/Stanford, genannt Gravity Probe B (GP-B), hat kürzlich seine 1-jährige Sammlung von wissenschaftlichen Daten in der Erdumlaufbahn beendet. Die Ergebnisse - es wird ein weiteres Jahr dauern die Daten zu analysieren - sollten die Gestalt der Raum-Zeit um die Erde herum enthüllen -- und möglicherweise den Wirbel.  

Nach Einstein´s Relativitätstheorie sind Raum und Zeit miteinander verbunden und bilden eine 4-Dimensionale Struktur, genannt "Raum-Zeit." Die enorme Masse der Erde verzerrt diese Struktur, etwa in der Art wie eine schwere Person, die in der Mitte eines Trampolins sitzt. Gravitation, sagt Einstein, ist einfach nur die Bewegung von Objekten, die den Weglinien dieser Verzerrung folgen. 

Wenn die Erde fest an einem Ort stehen würde, wäre dies das Ende der Geschichte. Aber die Erde steht nicht fest an einem Ort. Unser Planet dreht sich und diese Drehung verdreht diese Verzerrung, ein bisschen, zieht sie hinter sich her in einem 4-Dimensionalen Wirbel. GP-B wurde ins All geschickt, um dies zu überprüfen. 

Die Idee hinter diesem Experiment ist recht einfach: Bringen Sie einen sich drehenden Kreisel in eine Umlaufbahn um die Erde, wobei die Drehachsen auf einen entfernten Stern ausgerichtet sind und diesen als Referenzpunkt nutzen. Frei von äußeren Kräften sollte die Drehachse des Kreisels hin zu diesem Stern zeigen -- für immer. Wenn der Raum aber verdreht ist, sollten die Drehachsen der Kreisel mit der Zeit langsam wandern. Indem man diese Veränderung der Richtung, relativ zum Stern, misst, könnte die Verdrehung der Raum-Zeit bestimmt werden.

In der Praxis ist das Experiment unglaublich kompliziert. 

Die vier Kreisel an Bord von GP-B sind die perfektesten Kugeln, die der Mensch jemals hergestellt hat. Diese Bälle, von der Größe eines Tischtennisballs, aus geschmolzenem Quarz und Silikon, haben einen Durchmesser von 3,8 cm und weichen an keiner Stelle um mehr als 40 Atomlagen von einer perfekten Kugel ab. Wenn die Kreisel nicht so rund wären, würden ihre Drehachsen auch ohne den Einfluss der Relativität schwanken. 

Ausgehend von Berechnungen sollte die verdrehte Raum-Zeit um die Erde herum dafür sorgen, dass die Drehachsen der Kreisel um lediglich 0,041 Bogensekunden pro Jahr wandern. Eine Bogensekunde ist der 3600te Teil eines Grades. Um diesen Winkel mit ausreichender Genauigkeit zu messen, benötigte GP-B die unglaubliche Genauigkeit von 0,00005 Bogensekunden. Das ist wie die Dicke eines Blattes Papier aus 160 Kilometern Entfernung zu messen. 

GP-B Forscher haben vollständig neue Technologien entwickelt um dies zu ermöglichen. Sie entwickelten einen Satelliten, der "frei von Luftwiderstand" war und der an den äußeren Schichten der Erdatmosphäre entlangfliegen konnte, ohne die Kreisel zu beeinflussen. Sie haben einen Weg gefunden, dass alles durchdringende Magnetfeld der Erde aus dem Raumschiff heraus zu halten. Und sie klügelten ein Gerät aus um die Drehung der Kreisel zu messen -- ohne die Kreisel dabei zu berühren.

Die Durchführung des Experiments war eine außergewöhnliche Herausforderung. Eine Menge Geld und Zeit wurde benötigt, aber es sieht so aus, als ob die GP-B Wissenschaftler es geschafft haben. 

"Es gab keine großen Überraschungen" bei der Durchführung des Experiments, sagt der Physikprofessor Francis Everitt, der leitende Forscher für GP-B an der Stanford Universität. Nachdem nun die Sammlung der Daten vollständig ist, sagt er, ist die Stimmung unter den GP-B Wissenschaftlern "sehr enthusiastisch, neben der Erkenntnis, dass auch noch eine Menge harter Arbeit vor uns liegt."  

Eine sorgfältige, tief greifende Analyse der Daten läuft derzeit. Die Wissenschaftler werden dies in 3 Schritten durchführen, erklärt Everitt. Zuerst werden sie sich die Daten jedes einzelnen Tages des einjährigen Experiments ansehen und sie auf Unregelmäßigkeiten hin überprüfen. Danach teilen sie die Daten grob in Stücke von einem Monat auf und werden dann zum Schluss das gesamte Jahr betrachten. Indem sie dies so machen, sollten die Wissenschaftler in der Lage sein Probleme zu erkennen, die durch eine einfachere Analyse nicht erkannt würden. 

Schließlich werden Wissenschaftler aus aller Welt die Daten untersuchen. Everitt, "wir möchten für uns selbst die strengsten Kritiker sein." 

Der Einsatz ist hoch. Wenn sie den Wirbel entdecken, genau wie erwartet, bedeutet dies einfach, dass Einstein Recht hatte, wieder einmal. Aber was wenn nicht? Dann gibt es vielleicht einen Fehler in Einstein´s Theorie, eine winzige Abweichung, die zu einer Revolution in der Physik führen könnte. 

Zuerst gilt es allerdings eine Menge Daten zu analysieren. Bleiben Sie dran.

Quelle: Science@NASA

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