Oktober 2, 2022

Kreuznacher Rundschau

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Einsteins knifflige Relativitätstheorie hat einen weiteren großen Test bestanden

Was ist los

Wissenschaftler haben einen Satelliten ins All geschickt, um Einsteins schwaches Äquivalenzprinzip akribisch zu testen.

Warum spielt es eine Rolle

Das schwache Äquivalenzprinzip ist ein integraler Bestandteil der allgemeinen Relativitätstheorie, daher liefern diese Testergebnisse eine weitere Unterstützung für die grundlegende Theorie unseres Universums.

1916, Albert Einstein wagte zu behaupten, dass Isaac Newton falsch lag über die Schwerkraft. Nein, sagte er, es ist keine mysteriöse Kraft, die von der Erde ausgeht.

Stattdessen stellte sich Einstein vor, dass Raum und Zeit zu einem multidimensionalen Netzwerk verdreht sind und die Bänder dieses Netzwerks wie ausgepackte Papierstücke sind. Biegbar, formbar. Es wurde geglaubt, dass unsere einfachen menschlichen Körper Erfahrungen machen, nur weil wir innerhalb dieser Art von immateriellem Netzwerk existieren falsches Aussehen Halte uns fest am Boden. Wir nennen das Schwerkraft.

(Wenn es Ihrem Gehirn wehtut, machen Sie sich keine Sorgen, hier ist ein Artikel, der dem gewidmet ist zerstöre dieses Konzept.)

Und während der geniale Mathematiker diese rätselhafte Idee als seine allgemeine Relativitätstheorie bezeichnete, ein Titel, der hängen geblieben ist, nannten Kollegen ihn „völlig unpraktisch und lächerlich“, ein Titel, der das nicht tat. Allen Widrigkeiten zum Trotz muss Einsteins verblüffende Idee noch ins Wanken geraten. Seine Gebäude bleiben sowohl im kleineren als auch im unerklärlich großen Maßstab wahr. Experten haben versucht, Löcher hineinzubohren wiederholtUnd die wiederholt Und die wiederholtaber die allgemeine Relativitätstheorie herrscht immer vor.

Und am Mittwoch gaben Wissenschaftler dank eines ehrgeizigen Satellitenexperiments erneut bekannt, dass sich die Allgemeine Relativitätstheorie als grundlegende Tatsache unseres Universums erwiesen hat. Das Team führte den so genannten „genauesten Test“ eines der Schlüsselaspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie durch, der als schwaches Äquivalenzprinzip bezeichnet wird, mit einer Aufgabe, die als Mikroskop bezeichnet wird.

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„Ich arbeite seit mehr als 20 Jahren an diesem Thema und mir wurde klar, dass ich die Gelegenheit hatte, Projektmanager für wissenschaftliche Instrumente und Mitforscher bei dieser Mission zu sein“, sagte Manuel Rodriguez, Wissenschaftler am französischen Weltraumlabor. ONERA und Autor einer neuen Studie, Veröffentlicht in Physical Review Letters.

„Es ist sehr selten, dass ein so bemerkenswertes Ergebnis in der Geschichte der Physik hinterlassen wird.“

Eine Darstellung, wie sich Einsteins Relativitätstheorie das Universum vorstellte.

Zoe Liao/CNET

Was ist das Prinzip der schwachen Äquivalenz?

Das Schwaches Äquivalenzprinzip Es ist seltsam.

Es besagt ziemlich genau, dass alle Objekte in einem Gravitationsfeld auf die gleiche Weise fallen sollten, wenn keine andere Kraft auf sie einwirkt – ich spreche von externen Störungen wie Wind, jemand tritt gegen ein Objekt, ein anderes Objekt schlägt darauf, Sie bekommen eine Vorstellung.

Und ja, wenn ich alles sage, meine ich alle Dinge. Feder; Klavier; Basketball; du und ich; Alles, was Sie sich vorstellen können, sollte nach diesem Prinzip genau so fallen.

Das Mikroskopprojekt schickte einen Satelliten in die Erdumlaufbahn, der zwei Objekte enthielt: einen Platinbarren und einen Titanbarren. „Die Wahl basierte auf technischen Erwägungen“, sagte Rodrigues, beispielsweise ob die Materialien einfach und machbar im Labor herzustellen seien.

Aber was noch wichtiger ist, um das schwache Äquivalenzprinzip oder WEP zu verstehen, diese Legierung ist in der Erdumlaufbahn explodiert, weil sich das Material dort im Gravitationsfeld unseres Planeten befindet, ohne dass andere Kräfte darauf einwirken. Perfekt zum Testen von Standards. Sobald der Satellit den Weltraum erreicht hatte, begannen die Forscher mit den Tests, jahrelangob getauchte Platinbits und Titanbits Auf die gleiche Weise während sie die Erde umkreisten.

Das taten sie – bis zu einem sehr genauen Grad.

„Der aufregendste Teil während des Projekts war die Entwicklung eines Werkzeugs und einer Aufgabe, die noch niemand zuvor mit dieser Präzision durchgeführt hatte – eine neue Welt, die es zu erforschen gilt“, sagte Rodriguez. „Als Pioniere dieser neuen Welt erwarteten wir jeden Moment, auf Phänomene zu stoßen, die wir noch nie zuvor gesehen hatten, weil wir die ersten waren, die eintraten.“

Zylindrischer Körper aus Bronze, der wissenschaftliche Instrumente mit spitzem Boden trägt

Kapsel, die während einer Mikroskopmission verwendet wurde.

ZARM / Selig – ONERA 2013

Wenn Sie an den technischen Aspekten interessiert sind, zeigten die Ergebnisse des Experiments, dass sich die Fallbeschleunigung einer Legierung von der anderen um nicht mehr als 1 Teil von 10 ^ 15 unterscheidet. Die Forscher sagen, dass eine Differenz über diese Größe hinaus eine Verletzung bedeutet des WEP durch unser aktuelles Verständnis von Einsteins Theorie.

Für die Zukunft arbeitet das Team an einer Folgemission namens Microscope 2, die laut Rodrigues das Prinzip der schwachen Äquivalenz 100-mal besser testen wird.

Dies könnte jedoch noch mindestens ein Jahrzehnt so gut sein, sagen die Forscher.

Toll, was bedeutet das für mich?

In gewisser Weise ist die Starrheit der Allgemeinen Relativitätstheorie ein gewisses Problem. Denn obwohl es ein grundlegender Bauplan für das Verständnis unseres Universums ist, ist es das nicht Gerade Planen.

Wir haben auch Konstrukte wie das Standardmodell der Teilchenphysik, das erklärt, wie Dinge wie Atome und Bosonen funktionieren, und die Quantenmechanik, die Dinge wie Elektromagnetismus und die Ungewissheit der Existenz erklärt.

Aber das ist die Warnung.

Beide Konzepte scheinen so unzerbrechlich wie die allgemeine Relativitätstheorie, aber sie sind mit ihr unvereinbar. Also … da muss etwas nicht stimmen. Und diese Sache hindert uns daran, eine einheitliche Geschichte des physischen Universums zu erschaffen. Das Standardformzum Beispiel, Berühmtheit kann die Schwerkraft nicht erklärenund Allgemeine Relativitätstheorie Schauen Sie nicht wirklich auf Quantenphänomene. Es ist ein riesiger Kampf, die ultimative Theorie zu sein.

Vier Wissenschaftler, gekleidet in grüne Kleidung und Haarnetze, stehen neben einem ofengroßen Gerät, das in Goldfolie eingewickelt ist.

Mikroskopteam stehend mit Satellitenausrüstung, rechts.

ONERA / Rodríguez 2016

„Einige Theorien sagen eine Kopplung zwischen der Schwerkraft und einigen elektromagnetischen Parametern voraus“, führte Rodriguez als Beispiel an. „Diese Kopplung existiert in Einsteins Theorie nicht, weshalb es WEP gibt.“

Wir befinden uns an einem Scheideweg.

Aber die positive Seite ist, dass die überwiegende Mehrheit der Gelehrten Betrachten Sie alle diese Theorien unvollständig. Also, wenn wir irgendwie einen Weg finden können Ende Sie – finden zum Beispiel eine neue Kopplung, sagt Rodrigues, oder wählen ein neues Teilchen aus, um es dem Standardmodell hinzuzufügen – was uns zu den fehlenden Teilen des Puzzles unseres Universums führen könnte.

„Es sollte eine Revolution in der Physik sein“, sagte Rodriguez über das Brechen des WEP. „Das würde bedeuten, dass wir eine neue Kraft oder vielleicht ein neues Teilchen wie das Graviton gefunden haben – es ist die Trophäe in der Welt der Physik.“