Eines der berühmtesten Experimente in der Geschichte der Physik ist das Experiment von Galileo, der Kerne unterschiedlichen Gewichts vom Schiefen Turm von Pisa fallen ließ und zeigte, dass sie die Erde unabhängig von ihrer Masse gleichzeitig erreichen. Aber hatte der berühmte Wissenschaftler so recht?
Auf dem Mond fielen gleichzeitig ein Hammer und eine Feder
Im Jahr 1971 streckte der Astronaut Dave Scott auf dem Mond seine Arme auf Schulterhöhe aus und hielt in einem einen Hammer und in dem anderen einen Stift. Mit angeh altenem Atem verfolgte die Welt das Geschehen im Fernsehen. Es war ein seltsamer Anblick: Die Feder fiel nicht einfach, sie fiel herunter (die Aufzeichnung kann als MOV-Video heruntergeladen werden). Mangels Atmosphäre berührten beide Objekte exakt gleichzeitig die Mondoberfläche: „Trotzdem hatte Mr. Galileo recht“, resümierte der Astronaut. Die Beschleunigung durch die Schwerkraft ist unabhängig von der Masse oder dem Material, aus dem das Objekt besteht. In Einsteins Gravitationstheorie nennt man das Äquivalenzprinzip: die Austauschbarkeit des Gravitationsfeldes oder der Beschleunigung, also des nicht-trägen Bezugsrahmens.
Allerdings betrug der Fehler von Galileos Experiment etwa 1 %, was genug Zweifel für Skeptiker ließ. Die mit modernen Instrumenten maximal erreichbare Genauigkeit – beispielsweise die Messung der Rotationsgeschwindigkeit des Mondes mittels Lasersondierung – erreicht Billionstel. Aber auch das besänftigt die Zweifel nicht: Was ist, wenn das von Galileo entdeckte Prinzip auf einer noch mikroskopischeren Ebene „nicht funktioniert“? „Es gibt noch eine winzige Möglichkeit, die es wert ist, erforscht zu werden“, sagt der Astronom Clifford Will. „Die Entdeckung mikroskopischer Abweichungen im Einfluss der Schwerkraft auf Objekte unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung wird schwerwiegende Folgen haben.“Tatsächlich wäre dies der erste ernsthafte experimentelle Beweis für die Stringtheorie.
Im Rahmen der Stringtheorie werden Elementarteilchen, aus denen Materie aufgebaut ist, als Schwingungen unendlich dünner, eindimensionaler Fäden dargestellt. Es erklärt viele der Geheimnisse der Grundlagenphysik, bleibt aber selbst ziemlich umstritten. Es gibt mehrere konkurrierende Theorien. Und das Wichtigste: Die Superstrings sind so dimensioniert, dass man sie noch viele Jahre kaum beobachten kann. Einige Varianten der Stringtheorie zeigen theoretisch die Existenz extrem schwacher Kräfte, die die gravitativen Wechselwirkungen eines Objekts abhängig von seiner Zusammensetzung beeinflussen. Die Entdeckung von Abweichungen von dem von Galileo entdeckten Prinzip wird die Theorie zwar nicht vollständig und unwiderruflich bestätigen, aber ernsthaft unterstützen.
Solche Abweichungen (falls vorhanden) zu beobachten, ist jedoch eine sehr schwierige Aufgabe. Die Schwerkraft selbst ist eine ziemlich schwache Kraft, etwa 1036-mal schwächer als die elektromagnetische Kraft. Und die Abweichungen sind nach den Berechnungen der „Superstring“-Theoretiker um weitere 1013 Größenordnungen schwächer. Außerdem müssen sie vom Material abhängen – ebenso wie die elektromagnetischen Eigenschaften von Eisen, nicht aber von Kunststoff, zum Ausdruck kommen. Beispielsweise manifestieren sich nach einigen Versionen der Superstring-Theorie neue Kräfte in Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Energie der Materie. Beispielsweise werden ein positiv geladenes Proton und ein elektrisch neutrales Neutron aus Sicht der allgemein anerkannten Gravitationstheorie als äquivalent angesehen, da sie praktisch gleiche Massen haben. Aber unter einer Reihe von Annahmen werden die Gravitationseigenschaften, die sie aufweisen, etwas anders sein.
Bis jetzt gibt es keinen einzigen experimentellen Beweis für diese Annahmen, und kürzlich haben mehrere Gruppen von Wissenschaftlern gleichzeitig Weltraummissionen vorgeschlagen, die Messungen mit bisher unerreichter Genauigkeit durchführen können. „Tatsächlich reicht es aus, winzige Unterschiede in der Beschleunigung von Körpern aus unterschiedlichen Stoffen zu messen“, sagt Clifford Will. „Auf der Erde ist die Fallzeit begrenzt, aber ein Objekt in der Erdumlaufbahn fällt buchstäblich die ganze Zeit, und die kleinsten Unterschiede nehmen mit der Zeit so stark zu, dass sie sich bemerkbar machen können.“
Die Mission STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle) wird an der Stanford University entwickelt. Seine Genauigkeit erreicht ein Millionstel einer Billion (10-18) und ist damit 100.000-mal empfindlicher als moderne Pendants. Für Messungen werden nicht zwei, sondern vier Objekte aus Beryllium und Niob gleichzeitig verwendet - dies ermöglicht es, den Einfluss verschiedener Fehler und Ungenauigkeiten zu reduzieren. Alle Objekte befinden sich in einem mit flüssigem Helium gefüllten Dewar-Gefäß, das sie vor Temperaturschwankungen schützt, und das Reservoir ist von einer Supraleiterabschirmung umgeben, die es vor äußeren elektromagnetischen Feldern schützt. Die Triebwerke müssen den Effekt der Satellitenverzögerung durch die Reste der Atmosphäre kompensieren. Unter solchen Bedingungen müssen alle Testproben in einer relativen Position im freien Fall bleiben. Aber wenn wirklich eine neue Komponente der Gravitationskräfte existiert, werden sie sich leicht relativ zueinander verschieben.
Eine weitere MICROSCOPE-Mission (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence) wird von französischen Astronomen entwickelt und soll 2010 gestartet werden. MICROSCOPE verwendet zwei Testobjekte, und seine geschätzte Genauigkeit sollte es sein 1 Millionstel einer Milliarde (10−15) sein.
Die Italiener bereiten das dritte Experiment vor. Der Satellit Galileo Galilei funktioniert ähnlich wie die anderen, dreht sich aber ebenfalls mit einer Frequenz von 2 Umdrehungen pro Sekunde um seine eigene Achse. Auf diese Weise verteilen Wissenschaftler kleine Störungen durch äußere Kräfte ungefähr gleichmäßig in alle Richtungen und versuchen, ihre Einflüsse gegenseitig aufzuheben. Das Ergebnis ist eine Auflösung von 100 Millionstel einer Milliarde (10−17).
Es ist im Voraus schwer zu sagen, ob eines der kommenden Fahrzeuge in der Lage sein wird, Abweichungen von gravitativen Wechselwirkungen zu erkennen, die von traditionellen Theorien beschrieben werden. Auch die Stringtheorie selbst gibt kein endgültiges Verständnis dafür, wie stark die Abweichungen sein müssen: Vielleicht sind sie so mikroskopisch klein, dass selbst neue Satelliten machtlos sind. Clifford Will glaubt nicht, dass sie in Wirklichkeit existieren, denn dies würde eine ganze Revolution in unserem Verständnis des Universums bedeuten.
Siehe auch: "Woran hat Einstein nicht gedacht?"
