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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Wie die Relativitätstheorie überprüft werden soll |
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| | | Seit geraumer Zeit suchen Wissenschaftler nach der berühmten "Theory of Everything", salopp gerne als "Weltformel" bezeichnet. Sie soll endlich ein grundlegendes Problem der Physik lösen. Denn: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik passen derzeit nicht so recht zusammen. Diverse Kandidaten stehen als Alternative zur Debatte. Doch Experimente, die eventuell "Fehler" in Einsteins Theorie nachweisen könnten, scheiterten bislang an der fehlenden Messgenauigkeit. NASA-Physiker wollen nun die Lösung zumindest dieses Problems gefunden haben. |
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Slava Turyshev und Kollegen vom Jet Propulsion Laboratory der NASA schlagen eine Versuchsanordnung vor, die das Sonensystem als gigantisches Laboratorium verwendet. Eine tragende Rolle spielen dabei die Internationale Raumstation (ISS) sowie zwei Miniatur-Satelliten.
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Der Artikel "The Laser Astrometric Test of Relativity Mission" von Slava G. Turyshev, Michael Shao und Kenneth L. Nordtvedt Jr ist derzeit im E-Print-Archiv arXiv.org nachzulesen. |
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 Abstract des Artikels mit Links zum Volltext |
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Das Problem mit der Gravitation |
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Man kennt vier physikalische Grund- oder Naturkräfte, doch nur drei davon - Elektromagnetismus sowie starke und schwache Wechselwirkung - kann die Wissenschaft mittlerweile in einer Theorie beschreiben.
Das Problem ist Naturkraft Nummer vier: die Gravitation. Sie entzieht sich bisher sämtlichen Versuchen einer solchen Vereinheitlichung.
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Die Suche nach der "Theory of Everything" |
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Doch die Physiker ruhen nicht - und suchen nach jener umfassenden Theorie, die nicht nur die vier grundlegenden Kräfte der Natur unter einen Hut bringen soll, sondern auch gleich Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie vereint.
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Relativitätstheorie kontra Quantenmechanik |
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Beide sind nämlich äußerst erfolgreich: Ohne die Allgemeine Relativitätstheorie etwa wäre das Global Positioning System (GPS) nicht denkbar, der Quantenmechanik wiederum verdankt man Computer, Telekommunikation und Internet.
Zum Leidwesen der Physiker gelingt es derzeit aber nicht, diese schönen Theoriegebäude zusammen zu fassen.
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Stringtheorie als Alternativ-Kandidat |
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Ein Kandidat für jene "Theory of Everything", kurz TOE, ist etwa die recht bizarr anmutende Stringtheorie, die alle Teilchen der Natur als Schwingungen winziger Seiten beschreibt - ganz abgesehen von gleich sieben zusätzlichen Raumdimensionen, die sie erfordert.
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Minimal abweichende Vorhersagen |
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Die Vorhersagen der diversen Stringtheorie-Varianten weichen allerdings von jenen der Allgemeinen Relativitätstheorie ab. Die Unterschiede sind jedoch so geringfügig, dass eine exakte Messung schwierig ist. Das soll der "Laser Astrometric Test of Relativity" der JPL-Forscher nun ändern.
LATOR könnte nach den Vorstellungen seiner Proponenten die Ablenkung eines Lichtstrahls durch die Schwerkraft unseres Zentralgestirns, der Sonne messen. Denn weil deren Masse den Raum krümmt, bewegen sich selbst masselose Teilchen wie Photonen - mit anderen Worten: Licht - nicht exakt geradeaus.
Sowohl Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie als auch ihre "Konkurrenten" treffen zu dieser Ablenkung Vorhersagen, die - nur minimal - voneinander abweichen.
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Details zur Versuchsanordnung nach LATOR
Für das Experiment wollen die Physiker sich der so genannten Laser-Interferometrie bedienen: Zwei Miniatur-Satelliten müssten dazu - etwa in der gleichen Entfernung wie die Erde, allerdings langsamer als der Planet - die Sonne umkreisen. Nach etwa 17 Monaten im Weltall sollten sich die beiden Satelliten schließlich auf der der Erde entgegengesetzten Seite der Sonne befinden. In einer Entfernung von immerhin rund fünf Millionen Kilometern voneinander wäre der Winkel zwischen den beiden von der Erde aus betrachtet mit gerade einmal einem Grad dennoch minimal.
Das Ergebnis wäre also eine Art Dreieck aus Satelliten und Erde. Wenn nun beide Satelliten einen Laserstrahl zur ISS aussenden und zudem einer dieser Strahlen dicht an der Sonne vorbeiführt, so könnte ein auf der ISS montierter Interferometer mit höchster Präzision die durch die Schwerkraft der Sonne verursachte Abweichung dieses Strahlt bzw. den Winkel zwischen beiden Strahlen messen. |
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Das LATOR-Experiment mit Sonne, Satelliten und Co
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Schematische Darstellung der LATOR-Mission
Bis heute konnte Einstein nicht widerlegt werden - und alle Beobachtungen, die bislang auf Abweichungen von den Vorhersagen seiner Theorie hindeuten, gelten im besten Fall als umstritten.
Was die Ablenkung des Lichtstrahls angeht, verdeutlichen die Zahlen die Schwierigkeit einer exakten Überprüfung: Nach der Relativitätstheorie würde die Schwerkraft der Sonne den Strahl um nur 1,75 Bogensekunden krümmen. Eine Bogensekunde entspricht gerade einmal 1/3.600 Grad).
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Sir Arthur Eddington als erster Prüfer |
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Tatsächlich hat bereits im Jahr 1919 der britische Physiker und Astronom Sir Arthur Eddington die Vorhersagen Einsteins bzw. dessen Theorie überprüft - und die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie erstmals nachgewiesen. Allerdings im Rahmen von Experimenten, deren Genauigkeit vergleichsweise gering war.
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Bisher unerreichte Genauigkeit mit LATOR |
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LATOR könnte die Kontroverse nun ein für alle mal klären, meinen Turyshev und Kollegen. Denn die Genauigkeit des Experiments wäre etwa eine Milliarde mal größer als Eddingtons etwa 85 Jahre alten Messungen.
Und selbst jüngste Untersuchungen mithilfe der NASA-Sonde Cassini (siehe Bild rechts) würden mit LATOR um Längen - genauer gesagt: mit 30.000 mal größerer Genauigkeit - geschlagen.
Der Interferometer an Bord der ISS könnte den Winkel zwischen den beiden Laserstrahlen nach Angaben der JPL-Forscher mit einer Präzision von zehn Milliardstel einer Bogensekunde messen. Selbst leichte Abweichungen anderer Bestandteile von LATOR würden die Genauigkeit nicht wesentlich verschlechtern.
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Mission könnte schon 2009 startklar sein |
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LATOR soll auf jeden Fall in der Lage sein, Abweichungen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie in einer Größenordnung zu überprüfen, wie sie von diversen aufstrebenden "Theories of Everything" vorhergesagt werden.
Der große Vorteil von LATOR: Wie Slava Turyshev ausführt, braucht es für das Experiment nur bereits existierende Technologien.
Nach seinen Angaben könnte die Mission bereits 2009 oder 2010 starten - und dann entweder Einstein zumindest partiell entthronen, oder aber eine Vielzahl seiner derzeitigen Konkurrenten auf die Müllhalde der kosmischen Theorien verbannen.
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Mehr zu diesem Thema in science.ORF.at:
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01.01.2010 |
