Satellitenmisssion bestätigt Einstein

Der Satellite MICROSCOPE testet das Äquivalenzprinzip (Grafik: CNES/ David Ducro)

Einstein hat noch immer recht: Eine Satellitenmission hat das Äquivalenzprinzip von Albert Einstein so klar wie nie zuvor bestätigt. Das Experiment prüfte mithilfe von zwei freischwebenden Testmassen, ob die Gravitation tatsächlich auf Objekte verschiedener Masse gleich wirkt. Die ersten Ergebnisse bestätigen dies nun – bis auf zehn Milliardstel genau. Damit ist dieser Grundpfeiler der klassischen Physik weiterhin gültig.

Die Basis legte schon vor rund 400 Jahren Galileo Galilei: Er beobachtete, dass zwei Pendel aus unterschiedlichem Material trotzdem auf gleiche Weise schwingen. Im Jahr 1687 präzisierte Isaac Newton dies und formulierte das erste Äquivalenzprinzip. Nach diesem werden alle Objekte von der Erdanziehungskraft gleich stark beschleunigt – egal woraus sie bestehen oder wie schwer sie sind. Gäbe es den Luftwiderstand nicht, würde demnach eine Bleikugel genauso schnell zu Boden fallen wie eine Feder. Man spricht daher auch von der "Universalität des freien Falls". 220 Jahre später führte Albert Einstein dieses Äquivalenzprinzip weiter und machte es zu einem Grundstein seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Diese besagt unter anderem, dass die Gravitation auf alle Formen von Masse und Energie gleichermaßen wirkt - und damit auch auf Licht.

Gibt es doch eine Diskrepanz?

Doch es gibt ein Problem: Im Reich der kleinsten Teilchen spielen sich Prozesse ab, die nicht mit diesem Äquivalenzprinzip vereinbar sind. Die Quantentheorie ist daher unter Annahme der Gültigkeit des Äquivalenzprinzips nicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar. Physiker suchen zwar schon seit Jahrzehnten nach einer Möglichkeit, diese beiden maßgebenden Theorien miteinander zu verbinden. Aber bisher vergebens. "Das Äquivalenzprinzip unterscheidet die Gravitation von allen anderen Kräften der Natur, die im Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben werden", erklärt Anna Nobili von der Universität Pisa. "Genau dies ist das Kernproblem, das eine Vereinheitlichung der beiden Theorien zu einem einheitlichen physikalischen Weltbild bisher verhindert hat."

Es gäbe jedoch einen Ausweg aus diesem Dilemma: Wenn sich herausstellt, dass das Äquivalenzprinzip doch nicht universell gültig ist, sondern es doch minimale Abweichungen im freien Fall von Objekten gibt. Bisher allerdings war die Suche nach solchen Diskrepanzen vergebens. Jetzt haben Forscher mit der im April 2016 gestarteten französischen Satellitenmission MICROSCOPE einen neuen Versuch unternommen. Der Mikrosatellit umkreist die Erde in einem sonnensynchronen, niedrigen Erdorbit. In seinem Inneren schweben zwei konzentrische Testzylinder unterschiedlicher Masse: Einer der beiden besteht aus einer Titan-Aluminium-Legierung, der andere aus einem schwereren Platin-Rhodium-Gemisch. Extrem sensible Beschleunigungssensoren registrieren jede Bewegung dieser beiden Zylinder. Gilt das Äquivalenzprinzip, dann müssten alle Beschleunigungskräfte gleich stark auf beide Testmassen wirken. Reagiert jedoch ein Zylinder stärker als der andere, dann wäre dies ein Indiz für einen Bruch des Äquivalenzprinzips.

Einstein behält recht - vorerst

Inzwischen hat der Satellit mehr als 1900 Erdumkreisungen hinter sich und die Forscher haben erste Ergebnisse erhalten. Nach diesen hat Einsteins Äquivalenzprinzip auch diesen bisher strengsten Test mit Bravour bestanden. Die Messungen bestätigen bis auf zehn Billiardstel (10 hoch -14) genau, dass die Universalität des freien Falls nicht verletzt wurde. Dieser Wert ist damit zehnmal genauer als alle vorherigen Messungen, wie die Wissenschaftler berichten. "Dieses erste Ergebnis ist für die Physik von großer Bedeutung und wird sicherlich zur Überarbeitung alternativer Theorien führen ", kommentiert Pierre Touboul, wissenschaftlicher Leiter der Mission bei der französischen Raumfahrtagentur CNES.

Noch schließt dieses Ergebnis aber nicht aus, dass sich nicht doch irgendwo Diskrepanzen verbergen. Deshalb geht die Suche der Physiker nach einer Verletzung des Äquivalenzprinzips weiter. Die MICROSCOPE-Mission soll im Verlauf der weiteren Orbits eine Genauigkeit von zehn hoch -15 erreichen – dies ist dann hundertfach besser als alle erdbasierten Messungen. Es gibt aber auch schon Pläne für weitere Satelliten, die mit leicht abgewandelter Methode nach Diskrepanzen fahnden.

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