Gravitation Laser-Experiment könnte Relativitätstheorie kippen

Seit 400 Jahren gilt eine Entdeckung Galileos als Naturgesetz: Eine schwere Kugel aus Metall fällt exakt so schnell wie eine leichte aus Holz. Einige Physiker bezweifeln das allerdings - und wollen das Gesetz, auf dem auch Einsteins Relativitätstheorie basiert, genauer als je zuvor prüfen.


Lunar Laser Ranging Station der University of Texas: Attacke auf Einstein und Galileo
McDonald Observatory

Lunar Laser Ranging Station der University of Texas: Attacke auf Einstein und Galileo

Das Experiment, das Galileo Galilei angeblich auf dem schiefen Turm von Pisa durchgeführt hat, sollte weltberühmt werden: Zwei Körper, fand der Wissenschaftler heraus, fallen exakt gleich schnell, und zwar unabhängig von Masse oder Material. Auch Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie basiert auf der Annahme, dass dieses so genannte Äquivalenzprinzip richtig ist. Abweichungen konnten bisher nur auf den Luftwiderstand zurückgeführt werden.

Manche Physiker melden allerdings Zweifel an. "Einige moderne Theorien besagen, dass die Beschleunigung durch Schwerkraft doch von der Zusammensetzung des Objekts abhängt, wenn auch nur in geringem Maße", sagt Jim Williams vom Jet Propulsion Laboratory der Nasa. Sollte das stimmen, müsste die Allgemeine Relativitätstheorie umgeschrieben werden - eine Revolution in der Physik wäre die Folge.

Die Bestimmung des Abstands zwischen Mond und Erde soll nun zeigen, ob sich Galileo und Einstein irrten. Während sich Newton Gedanken über fallende Äpfel machte und Galileo seine Experimente mit Holz- und Metallkugeln durchführte, lassen die modernen Wissenschaftler Erde und Mond in Richtung Sonne fallen. Die beiden Himmelskörper besitzen, genau wie Galileos Kugeln, unterschiedliche Massen und Zusammensetzungen. Sollten sie durch die Gravitation der Sonne verschieden stark beschleunigt werden, müsste sich der Abstand zwischen ihnen geringfügig verändern.

Reflektor, auf dem Mond von den Astronauten der Apollo-14-Mission aufgestellt: Millimetergenaue Abstandsmessung
NASA

Reflektor, auf dem Mond von den Astronauten der Apollo-14-Mission aufgestellt: Millimetergenaue Abstandsmessung

"Mit derartig großen Massen wie denen der Erde und des Mondes könnten wir in der Lage sein, den kleinen Effekt nachzuweisen", meint Williams. Die Physiker wollen die Entfernung zum Mond deshalb per Laser millimetergenau bestimmen. Möglich wird das Experiment durch Reflektoren, die Apollo-Astronauten bereits Ende der sechziger Jahre auf dem Mond aufgestellt haben. Bisher konnte der rund 385.000 Kilometer große Abstand zwischen Erde und Mond auf etwa 1,7 Zentimeter genau gemessen werden. Damit ließ sich die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips auf 13 Stellen hinter dem Komma bestimmen - was jedoch für manche Theorien, die Einstein in Frage stellen, nicht ausreicht.

Ein neuartiges Teleskop in White Sands (USA) soll die reflektierten Laserimpulse des Mond-Reflektors nun zehnmal präziser erfassen als bisher. Das Observatorium namens Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation ("Apollo") kann die Zeit, die das Licht von der Erde zum Mond und zurück braucht, auf wenige Billionstel Sekunden genau berechnen und zugleich Feinheiten wie den Einfluss der Erdatmosphäre auf den Lichtweg und tektonische Bewegungen der Erdkruste berücksichtigen. Dadurch wollen die Physiker den Abstand zum Mond bis auf zwei Millimeter genau ermitteln.

Sollte das Äquivalenzprinzip tatsächlich widerlegt werden, halten die Nasa-Forscher gar die Entwicklung der "Weltformel", der lang gesuchten Verbindung zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik, für möglich. Die beiden Rechenwerke, die das Universum in seiner ganzen Größe und die Welt des Allerkleinsten beschreiben, widerstanden bisher jedem Versuch einer Vereinigung. Die Entdeckung eines Fehlers in den Grundlagen der Relativitätstheorie, so die Hoffnung der Nasa-Wissenschaftler, könnte diese Grenze vielleicht fallen lassen.



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