Newswise – Die MICROSCOPE-Mission hat das „Prinzip der Äquivalenz“ mit beispielloser Genauigkeit bestätigt und damit Einsteins allgemeine Relativitätstheorie gestützt.
Das Ergebnis, diese Woche angekündigt von einem Team unter der Leitung der französischen Raumfahrtbehörde CNES, ist ein Triumph für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Es kann jedoch auch einige Kandidaten für universelle Theorien der Physik ausschließen.
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist die beste Gravitationstheorie – anstatt eine „ziehende“ Kraft zu sein, wird die Wirkung der Schwerkraft von großen Körpern wie Planeten verursacht, die die Raumzeit krümmen und die Bahnen kleinerer Objekte zu ihnen hin krümmen.
Dies ist jedoch nicht mit der besten Theorie der Wissenschaftler über die subatomare Welt vereinbar: der Quantenmechanik. Physiker haben lange nach einer universellen Theorie gesucht, die sie miteinander verbindet. Einige dieser möglichen Theorien sagen voraus, dass das Äquivalenzprinzip brechen würde, wenn es sehr genau gemessen würde – aber MICROSCOPE hat gezeigt, dass dies äußerst unwahrscheinlich ist.
Prüfung des Äquivalenzprinzips
Das Äquivalenzprinzip besagt, dass zwei Objekte, die im Vakuum unter der gleichen Schwerkraft fallen, unabhängig von ihrem Gewicht oder ihrer Zusammensetzung mit der gleichen Geschwindigkeit fallen. Dieses Prinzip wurde von Apollo 15-Astronaut David Scott demonstriert, der einen Hammer und eine Feder auf den Mond fallen ließ und zeigte, dass beide gleichzeitig den Boden erreichten.
Das Abwerfen von Haushaltsgegenständen auf die Mondoberfläche ermöglicht jedoch keine sehr genauen Messungen – sie können den Boden in Sekundenbruchteilen erreichen.
MIKROSKOP (MICROSatellite with Compensated Drag for the Observation of the Principle of Equivalence) enthält zwei Paare von „Testmassen“: Blöcke aus Platin und Titan unterschiedlichen Gewichts mit sehr genau gemessenen Eigenschaften. Diese Massen sind von anderen Einflüssen wie Temperatur oder atmosphärischer Reibung isoliert und werden kontrolliert im freien Fall im All um die Erde kreisen.
Ihre Beschleunigung durch den freien Fall wird dann mit atomarer Genauigkeit gemessen und verglichen, um das Äquivalenzprinzip zu testen. Werden zwei gleich große Testmassen, aber unterschiedlicher Zusammensetzung im freien Fall unterschiedlich beschleunigt, wird das Äquivalenzprinzip verletzt.
Beispiellose Genauigkeit
Diese Messungen wurden über 1.642 Erdumrundungen oder 73 Millionen km durchgeführt, was der Hälfte der Entfernung Erde-Sonne entspricht. MICROSCOPE wurde 2016 gestartet und 2018 deaktiviert, aber seitdem analysieren Forscher die Messungen.
Ihr Ergebnis, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Beurteilung und Klassische und Quantengravitationzeigten, dass eine Abweichung in der Beschleunigung der Testmassen weniger als 1 Teil von 10 beträgtfünfzehn – oder weniger als ein Zehntel eines Billionstels Prozent.
Professor Timothy Sumnervom Department of Physics am Imperial College London und Mitglied des MICROSCOPE Science Working Teams, sagte: „Ich erinnere mich, dass ich in der Schule etwas darüber gelernt habe, wie Galileo im 17 Federexperiment im Jahr 1971 während einer der Mondlandungen. Das Ergebnis dieses scheinbar einfachen Experiments verbirgt eine Subtilität, die Wissenschaftler seit Jahrhunderten verblüfft und Einstein dazu veranlasst hat, die Universalität des freien Falls als einen grundlegenden Eckpfeiler der allgemeinen Relativitätstheorie zu „akzeptieren“.
„MICROSCOPE hat bei dieser Art von Experimenten in der stillen Weltraumumgebung Pionierarbeit geleistet und gezeigt, dass zwei Massen, die in die Umlaufbahn gefallen sind, nach einem „Fall“ von 73 Milliarden Metern immer noch auf 100 Millionstel Meter genau zusammen sind, was zeigt, dass der Schlussstein immer noch zusammen ist keine sichtbaren Risse.“