Fallexperimente

Forscher überprüfen die Allgemeine Relativitätstheorie

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SWR2 Wissen von Uwe Springfeld

Kleine Kinder werfen Gläser vom Tisch. Erwachsene schnipsen Krümel vom Balkon. Dinge runterzuwerfen macht Spaß. Ein viel größeres Fallexperiment führen derzeit Physiker aus - mit einem Satelliten namens "Microscope". Mit seinem freien Fall überprüfen sie die Allgemeine Relativitätstheorie - nach ersten Ergebnissen scheint sie sich erneut zu bestätigen.

Wie Gravitation funktioniert und was sie macht, hatte der Physiker Isaac Newton in seinem Hauptwerk "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" beschrieben. Was Gravitation aber ist, wie sie die Anziehungskraft zustande bringt und wie sie sie beispielweise von der Erde auf einen runterfallenden Apfel oder Glas überträgt, dazu verlor er nur einen einzigen Satz. Es interessiere ihn nicht und fertig.

Es dauerte 230 Jahre, bis sich ein anderer Physiker dieser Frage angenommen hatte. Albert Einstein. Er entwarf eine Theorie von verdrehten Uhren und gekrümmten Räumen. Genannt: Die Allgemeine Relativitätstheorie. Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, warum Materie nicht anders kann als herunterzufallen. Zum einen verbiegt Materie den Raum. Massen können sich nicht anders als sich aufeinander zu zubewegen.

Das funktioniert aber nur, weil die Materie noch eine zweite Eigenschaft hat. Von sich aus bewegt sie sich nicht. Träge wie sie ist, muss sie immer angeschoben werden. Wie Physiker sagen: Auf Materie muss eine Kraft ausgeübt werden, damit sie sich anders als vorher bewegt. Kurz:

  • Von der "trägen Masse" hängt ab, wie viel Kraft man aufwenden muss, um einen Körper zu beschleunigen oder zu bremsen.
  • Die "schwere Masse" bestimmt die Kraft, mit der ein Körper einen anderen "anzieht".

Das sind aber streng genommen zwei verschiedene Phänomene. Ist die Eigenschaft der Materie, träge zu sein, vollkommen identisch mit ihrer Eigenschaft, Gravitation zu erzeugen? Oder sind das zwei verschiedene Eigenschaften, die sich im Experiment irgendwo in der unendlichen Reihe der Nachkommastellen unterscheiden?

Der Fall in die Ellipse

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie stützt sich darauf, dass die beiden identisch sind: Das ist das "Äquivalenzprinzip". Trägheit und Gravitation sind demnach zwei Aspekte einer einzigen Eigenschaft der Materie. Einstein hatte dazu seine Gedanken in komplizierte Gleichungen gefasst, bei denen genau das herauskommt. Nur: Müssen mathematische Gleichungen zwangsläufig stimmen, allein weil sie in sich logisch sind? Oder sollte man das Ganze doch mal im Experiment überprüfen? Das heißt: statt nachrechnen – nachmessen. Also Sachen fallenlassen.

Satelliten fallen nicht runter wie Bälle, die man hochgeworfen hat. Ein Satellit fliegt eher wie ein Fußball nach einem sehr hohen, sehr weiten Abstoß. Diese Bahn führt ihn im hohen Bogen hunderte bis Zigtausende Kilometer über den Globus und so weit jenseits des Horizonts, dass er dort, wo er eigentlich wieder herunterfallen würde, nicht mehr zur Erde fällt, sondern vom eigenen Schwung getragen an ihr vorbei.

Microscope

Die französische Raumfahrtagentur CNES schoss den Satelliten Microscope im Jahr 2016 in die Erdumlaufbahn. Viele hundert Erdumrundungen später konnten die Forscher eine Fallstrecke im luftleeren Raum von 85 Millionen Kilometern simulieren.

Weil der Satellit im Weltraum seine Geschwindigkeit beibehält – dort bremst ihn kaum etwas – bewegt er sich weiter und immer weiter und fällt gleichzeitig dabei und fällt und fällt. Und beides zusammen, die Geradeaus-Bewegung und das permanente Runterfallen, ergeben eine Bogenbahn, die sich zum Kreis oder zu einer Ellipse schließt. Mit dem Ergebnis, dass der Satellit fällt und fällt, aber nicht runterfällt.

Fast ewiger Fall

Darum können die Forscher auch mit Satelliten ihre Freifall-Experimente machen. Weil der Satellit so lange auf seiner Bahn um die Erde herum fällt, bis er eines Tages doch an Schwung verloren hat und zum Boden zurückkehrt. Ähnlich wie die jährlich 400 Tonnen Weltraumschrott, der jährlich wieder von der Erde eingefangen wird, wird auch der Satellit Microscope in der Atmosphäre verglühen.

Das Experiment überprüft die Voraussetzungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. In den vergangenen hundert Jahren haben viele Forscher immer wieder diese Voraussetzungen überprüft. Sie maßen beispielsweise, ob die Lichtgeschwindigkeit tatsächlich konstant ist. Ja, sagen heute die Experimentatoren, jedenfalls bis auf 17 Stellen hinterm Komma. Noch genauer nachzumessen geht gegenwärtig nicht.

Bei den beiden Eigenschaften der Materie, träge zu sein und auf Gravitation zu wirken – keine Abweichung bis auf 13 Stellen hinterm Komma. Das Experiment Microscope hat den einzigen Zweck, hier die vierzehnte und fünfzehnte Stelle hinzuzufügen. Das ist der Milliardste Teil eines Hundertmillionstel.

Neun Dimensionen oder ein leerer Raum aus Knoten?

All die Mühe, damit die Daten aus dem All von guter Qualität sind. Von nichts anderem hängt ab, ob das Experiment ein Erfolg sein wird oder nicht. Weil man nachschauen kann, ob die Mess-Ergebnisse eine bestimmte Struktur aufweisen – oder nicht. Fast ein Jahr und viele hundert Erdumrundungen später konnten die Forscher nun eine Fallstrecke des Satelliten im luftleeren Raum von 85 Millionen Kilometern simulieren.

Erste Ergebnisse: Einstein behält recht - vorerst

Im Dezember 2017 verkündeten die Wissenschaftler erste Ergebnisse der Microscope-Experimente. Die Daten stimmen mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie bis auf die 14. Nachkommastelle überein - am Ende soll Einsteins Theorie sogar bis auf die 15. Nachkommastelle genau überprüft sein. Der wissenschaftliche Leiter der CNES-Mission Pierre Touboul erklärte, das Ergebnis sei von großer Bedeutung. Es werde zur Überarbeitung einiger Theorien führen, die bisher gegen die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein argumentiert hatten.

Natürlich wird es immer Forscher geben, die sich nicht überzeugen lassen. Auch heute vertreten beispielsweise manche Physiker die Ansicht, die Allgemeine Relativitätstheorie sei in Bausch und Bogen falsch. Andere meinen, die Welt sei eine Hohlkugel, auf deren inneren Oberfläche wir leben. Physiker sind schließlich auch nur Menschen.

SWR 2016 / 2018

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