Bildnachweis: NASA / JPL
Früher oder später wird die Regierung von Einstein, wie die Regierung von Newton vor ihm, ein Ende haben. Ein Umbruch in der Welt der Physik, der unsere Vorstellungen von der grundlegenden Realität stürzen wird, ist unvermeidlich, glauben die meisten Wissenschaftler, und derzeit findet ein Pferderennen zwischen einer Handvoll Theorien statt, die um die Thronfolge konkurrieren.
Im Rennen gibt es solche umwerfenden Ideen wie ein 11-dimensionales Universum, universelle „Konstanten“ (wie die Stärke der Schwerkraft), die sich über Raum und Zeit unterscheiden und nur in einer unsichtbaren fünften Dimension, infinitesimalen vibrierenden Saiten wie der, wirklich fixiert bleiben Grundbestandteile der Realität und ein Gefüge aus Raum und Zeit, das nicht glatt und kontinuierlich ist, wie Einstein glaubte, sondern in diskrete, unteilbare Stücke von verschwindend kleiner Größe unterteilt ist. Das Experiment wird letztendlich bestimmen, welche Triumphe.
Ein neues Konzept für ein Experiment, mit dem die Vorhersagen der Einsteinschen Relativitätstheorie genauer als je zuvor getestet werden sollen, wird von Wissenschaftlern des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA entwickelt. Ihre Mission, die unser Sonnensystem effektiv als riesiges Labor nutzt, würde dazu beitragen, das Feld der konkurrierenden Theorien einzugrenzen und uns der nächsten Revolution in der Physik einen Schritt näher zu bringen.
Ein geteiltes Haus
Es mag die meisten Menschen nicht schwer belasten, aber ein großes Schisma hat unser grundlegendes Verständnis des Universums lange geplagt. Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten, die Natur und das Verhalten von Raum, Zeit, Materie und Energie zu erklären: Einsteins Relativitätstheorie und das „Standardmodell“ der Quantenmechanik. Beide sind äußerst erfolgreich. Das Global Positioning System (GPS) wäre beispielsweise ohne die Relativitätstheorie nicht möglich. Computer, Telekommunikation und Internet sind Ableger der Quantenmechanik.
Aber die beiden Theorien sind wie verschiedene Sprachen, und noch ist niemand sicher, wie man zwischen ihnen übersetzt. Die Relativitätstheorie erklärt Schwerkraft und Bewegung, indem sie Raum und Zeit zu einem 4-dimensionalen, dynamischen, elastischen Stoff der Realität vereint, der Raumzeit genannt wird und durch die darin enthaltene Energie gebogen und verzogen wird. (Masse ist eine Form von Energie, also erzeugt sie Schwerkraft, indem sie Raum-Zeit verzerrt.) Die Quantenmechanik hingegen geht davon aus, dass Raum und Zeit eine flache, unveränderliche „Bühne“ bilden, auf der sich das Drama mehrerer Teilchenfamilien entfaltet . Diese Teilchen können sich zeitlich sowohl vorwärts als auch rückwärts bewegen (etwas, das die Relativitätstheorie nicht zulässt), und die Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen erklären die Grundkräfte der Natur - mit Ausnahme der Schwerkraft.
Die Pattsituation zwischen diesen beiden Theorien besteht seit Jahrzehnten. Die meisten Wissenschaftler gehen davon aus, dass irgendwann eine einheitliche Theorie entwickelt wird, die die beiden zusammenfasst und zeigt, wie die Wahrheiten, die sie jeweils enthalten, genau in einen einzigen, allumfassenden Rahmen der Realität passen. Eine solche „Theorie von allem“ würde unser Wissen über die Geburt, Entwicklung und das mögliche Schicksal des Universums tiefgreifend beeinflussen.
Slava Turyshev, ein Wissenschaftler am JPL, und seine Kollegen haben überlegt, wie sie die Internationale Raumstation (ISS) und zwei Minisatelliten, die auf der anderen Seite der Sonne umkreisen, nutzen können, um die Relativitätstheorie mit beispielloser Genauigkeit zu testen. Ihr Konzept, das teilweise durch die Finanzierung durch das NASA-Büro für biologische und physikalische Forschung entwickelt wurde, wäre so sensibel, dass es Fehler in Einsteins Theorie aufdecken und somit die ersten harten Daten liefern könnte, die erforderlich sind, um zu unterscheiden, welche der konkurrierenden Theorien von Allem mit der Realität übereinstimmen und das sind nur ausgefallene Kreidearbeiten.
Das Experiment mit dem Namen Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR) würde untersuchen, wie die Schwerkraft der Sonne die von den beiden Minisatelliten emittierten Laserlichtstrahlen ablenkt. Die Schwerkraft biegt den Weg des Lichts, weil sie den Raum verzieht, durch den das Licht geht. Die Standardanalogie für diese Verzerrung der Raumzeit durch die Schwerkraft besteht darin, sich den Raum als eine flache Gummiplatte vorzustellen, die sich unter dem Gewicht von Objekten wie der Sonne ausdehnt. Die Vertiefung in der Folie würde dazu führen, dass sich ein Objekt (sogar ein Lichtpartikel ohne Masse), das in der Nähe der Sonne vorbeizieht, im Laufe der Zeit leicht dreht.
Tatsächlich testete Sir Arthur Eddington durch Messung der Biegung des Sternenlichts durch die Sonne während einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919 erstmals Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. In kosmischer Hinsicht ist die Schwerkraft der Sonne ziemlich schwach. Der Weg eines Lichtstrahls, der den Rand der Sonne überfliegt, würde nur um etwa 1,75 Bogensekunden gebogen sein (eine Bogensekunde ist 1/3600 Grad). Im Rahmen der Genauigkeit seiner Messgeräte zeigte Eddington, dass sich das Sternenlicht tatsächlich um diesen Betrag verbog - und damit Newton effektiv anklagte.
LATOR würde diese Ablenkung mit einer Milliarde (109) -fachen Genauigkeit von Eddingtons Experiment und einer 30.000-fachen Genauigkeit des aktuellen Rekordhalters messen: eine zufällige Messung unter Verwendung von Signalen des Cassini-Raumfahrzeugs auf dem Weg zur Erforschung des Saturn.
"Ich denke, [LATOR] wäre ein ziemlich wichtiger Fortschritt für die Grundlagenphysik", sagt Clifford Will, Professor für Physik an der Washington University, der wichtige Beiträge zur post-Newtonschen Physik geleistet hat und nicht direkt mit LATOR befasst ist. "Wir sollten weiterhin versuchen, beim Testen der allgemeinen Relativitätstheorie auf mehr Genauigkeit zu drängen, einfach weil jede Art von Abweichung bedeuten würde, dass es eine neue Physik gibt, die uns vorher nicht bekannt war."
Solarlabor
Das Experiment würde folgendermaßen funktionieren: Zwei kleine Satelliten mit einer Breite von jeweils etwa einem Meter würden in eine Umlaufbahn gebracht, die die Sonne in ungefähr derselben Entfernung wie die Erde umkreist. Dieses Minisatellitenpaar würde langsamer umkreisen als die Erde, so dass sich die Minisatelliten und die Erde etwa 17 Monate nach dem Start auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne befinden würden. Obwohl die beiden Satelliten ungefähr 5 Millionen km voneinander entfernt wären, wäre der Winkel zwischen ihnen von der Erde aus gesehen winzig, nur ungefähr 1 Grad. Zusammen würden die beiden Satelliten und die Erde ein dünnes Dreieck bilden, mit Laserstrahlen an den Seiten und einem dieser Strahlen, die nahe an der Sonne vorbeiziehen.
Turyshev plant, den Winkel zwischen den beiden Satelliten mit einem an der ISS montierten Interferometer zu messen. Ein Interferometer ist ein Gerät, das Lichtstrahlen einfängt und kombiniert. Durch Messen, wie sich Lichtwellen der beiden Minisatelliten gegenseitig „stören“, kann das Interferometer den Winkel zwischen den Satelliten mit außerordentlicher Präzision messen: etwa 10 Milliardstel Bogensekunden oder 0,01 As (Mikrobogensekunden). Wenn die Präzision der anderen Teile des LATOR-Designs berücksichtigt wird, ergibt dies eine Gesamtgenauigkeit für die Messung, wie stark die Schwerkraft den Laserstrahl um etwa 0,02 biegt, wie bei einer einzelnen Messung.
„Die Verwendung der ISS bietet uns einige Vorteile“, erklärt Turyshev. „Zum einen liegt es über den Verzerrungen der Erdatmosphäre und ist auch groß genug, um die beiden Linsen des Interferometers weit voneinander entfernt zu platzieren (eine Linse an jedem Ende des Solarpanel-Fachwerks), was die Auflösung und Genauigkeit der Erdatmosphäre verbessert Ergebnisse."
Die Genauigkeit von LATOR von 0,02? Ist gut genug, um Abweichungen von Einsteins Relativitätstheorie aufzudecken, die von den aufstrebenden Theorien von Allem vorhergesagt werden und zwischen ungefähr 0,5 und 35? As liegen. Die Übereinstimmung mit den Messungen von LATOR wäre ein wesentlicher Schub für jede dieser Theorien. Wenn jedoch auch LATOR keine Abweichung von Einstein feststellt, werden die meisten der aktuellen Konkurrenten - zusammen mit ihren 11 Dimensionen, dem Pixelraum und den inkonstanten Konstanten - einen tödlichen Schlag erleiden und an diesen großen staubigen Bibliotheksstapel am Himmel „weitergeben“ .
Da für die Mission nur vorhandene Technologien erforderlich sind, könnte LATOR laut Turyshev bereits 2009 oder 2010 flugbereit sein. Es kann also nicht lange dauern, bis die Pattsituation in der Physik gebrochen ist und eine neue Theorie von Schwerkraft, Raum und Zeit erforderlich ist Thron.
Ursprüngliche Quelle: NASA / Science Story
