NASA bestätigt Existenz der Raumzeit

NASA Center:Goddard Space Flight Center - Space Telescope Science Institute Image # : PR95-44D Date : 4/1/1995
NASA Center: Goddard Space Flight Center – Space Telescope Science Institute
Image # : PR95-44D
Date : 4/1/1995

Albert Einstein hatte schon wieder recht!

Es gibt tatsächlich einen Raum-Zeit-Strudel rund um unsere Erde herum – Und dessen Form entspricht exakt den Vorhersagen aus Einsteins Theorien zur Gravitation.

Gemessen wurde dies mit der Gravitationssonde GP-B.

„Die Raum-Zeit um die Erde scheint verzerrt werden – so wie die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt“, sagt Stanford University Physiker Francis Everitt, Principal Investigator der Gravity Probe B Mission.

„Dies ist ein episches Ergebnis“, fügt Clifford Will von der Washington University in St. Louis hinzu, ein Experte in Einsteins Theorien.

Will leitet ein unabhängiges Gremium des National Research Council, welches 1998 von der NASA eingerichtet wurde um die Ergebnisse  der Gravity Probe B zu überwachen und zu prüfen.
„Eines Tages“, so sagt er, „wird in den Lehrbüchern geschrieben stehen, dass dies eines der klassischen Experimente in der Geschichte der Physik war.“

Zeit und Raum sind nach Einsteins Relativitätstheorie miteinander verwoben und bilden ein vierdimensionales „Tuch“ namens „Raum-Zeit“. Die Masse der Erde dehnt  dieses Tuch durch und erzeugt „Grübchen“, ähnlich wie eine schwere Person, welche in der Mitte eines Trampolins sitzt. Gravitation, sagt Einstein, ist einfach die Bewegung von Objekten auf den geschwungenen Linien der Vertiefungen in diesem Tuch.

Würde die Erde an einem Ort  stillstehen, wäre die Geschichte schon vorbei. Aber die Erde ist nun mal nicht stationär. Unser Planet dreht sich, und die Umdrehung sollte die umliegende Raumzeit leicht verwirbeln. Um dies zu überprüfen ist GP-B 2004 ins All gestartet.

Die Idee hinter dem Experiment ist einfach:

Dateiname "rotor_hands" - NASA
Ein Kreiselgyroskop. Dateiname „rotor_hands“ – NASA

Man bringt ein Kreisel-Gyroskop in die Erdumlaufbahn und richtet seine Achse  – um einen festen Bezugspunkt zu erhalten  – an einem fernen Stern aus. Frei von äußeren Kräften, sollte die Achse weiter auf den Stern ausgerichtet bleiben  – für immer.

Aber wenn der Weltraum „verdreht“ wäre, sollte sich die Richtung der Kreisel-Achse mit der Zeit verändern. Stellt man diese Richtungsänderung in Bezug auf den zuvor „angepeilten“Stern, könnten somit die Drehungen der Raum-Zeit gemessen werden.

In der Praxis ist das Experiment jedoch enorm schwierig.

Die vier Gyroskope in GP-B sind die perfektesten Kugeln, welche jemals von Menschen gemacht wurden. Diese Ping-Pong-Bälle Größe aus geschmolzenem Quarz und Silizium haben einen Durchmesser von 1,5 Zoll und weichen an keiner Stelle mit mehr als 40 Atomlagen von einer perfekten Kugel ab. Wären die Kreisel nicht so sphärisch, würden ihre Drehachsen auch ohne die Effekte der Relativität wackeln.

Berechnungen zufolge sollte die verdrehte Raum-Zeit um die Erde bewirken, dass die Achsen der Gyroskope um ca. 0,041 Bogensekunden pro Jahr driften. Eine Bogensekunde ist 1/3600stel Grad. Um diesen Winkel einigermaßen genau messen zu können, benötigt GP-B die unglaubliche Präzision von 0,0005 Bogensekunden.

Man kann sich das in etwa vorstellen, als würde man die Dicke eines Blattes Papier ausmessen wollen – Aus einer Entfernung von 100 Meilen.

Verdrehte Raumzeit in der Umgebung eines schwarzen Loches - Credit: Joe Bergeron of Sky & Telescope magazine.
Verdrehte Raumzeit in der Umgebung eines schwarzen Loches – Credit: Joe Bergeron of Sky & Telescope magazine.

„Die Forscher mussten ganz neue Technologien zu erfinden, um dies zu ermöglichen „, sagt Will.

Sie entwickelten einen „Drag-Free“ (reibungsfreien) Satelliten , welcher durch die äußeren Schichten der Erd-Atmosphäre reisen kann, ohne dass die Reibung die Kreisel stören konnte. Sie haben herausgefunden , wie man das Magnetfeld der Erde vom Eindringen in das Raumfahrzeug abhalten kann.  Und sie haben herausgefunden, wie man die Drehung der Kreisel messen kann ohne diese zu berühren.

Dieses Experiment war eine außergewöhnliche Herausforderung. Aber nach einem Jahr der Datennahme und fast fünf Jahren der Analyse, sind sich die GP-B Wissenschaftler sicher, es geschafft zu haben.

„Wir haben eine geodätische Präzession von 6.600 plus/minus 0,017 Bogensekunden und einen Frame-Dragging-Effekt von plus 0,039 plus bis minus 0,007 Bogensekunden „, sagt Everitt .
Für Leser , die keine Experten in der Relativitätstheorie sind:

Geodätische Präzession ist die Menge an Taumeln, hervorgerufen durch die statische Masse der Erde (das Grübchen in der Raumzeit) und der Frame-Dragging-Effekt ist die Menge der Taumel durch die Drehung der Erde, welche die Verwirbelung in der Raumzeit verursacht. Beide Werte sind in präziser Übereinstimmung mit Einsteins Vorhersagen .

Die Ergebnisse der „Gravity Probe B“ geben den Physikern neue Zuversicht , dass die Vorhersagen der Einstein’schen Theorie in der Tat richtig sind und anderweitig eingesetzt werden können.

Die Art der Raumzeit- Wirbel, welche um die Erde herum existieren, gibt es in größerem Maßstab auch an anderer Stelle im Kosmos – Zum Beispiel um massereichen Neutronensternen , Schwarzen Löcher und aktiven Galaxienkernen.

Und was kommt als nächstes?

Everitt, erinnert sich einige Ratschläge, die ihm sein Doktorvater und Nobelpreisträger Patrick M.S. Blackett einst gab:

„Wenn Sie sich nicht sicher sind, was die Physik als nächstes tun wird, so erfinden Sie einfach ein paar neue Technologien und diese werden zu neuer Physik führen.“

„Nun“, sagt Everitt, „wir haben für „Gravity Probe B“ 13 neue Technologien entwickelt. Wer weiß schon, wo diese uns hinführen werden?“

Diese Geschichte könnte also gerade erst begonnen haben…

Quellen:
Science@NASA
Dr. Tony Phillips


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