Oktober 7, 2022

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Einstein gewinnt erneut: Weltraumsatellit bestätigt schwaches Äquivalenzprinzip

Einstein gewinnt erneut: Weltraumsatellit bestätigt schwaches Äquivalenzprinzip
Zoomen / Es gibt eine lange Tradition der empirischen Überprüfung des schwachen Äquivalenzprinzips – der Grundlage von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.

Gut

Eines der kontraintuitivsten Konzepte in der Physik ist, dass alle Objekte unabhängig von ihrer Masse mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, auch bekannt als Äquivalenzprinzip. Am einprägsamsten wurde dies 1971 durch den Apollo-15-Astronauten der NASA, David Scott, illustriert, als er auf dem Mond spazieren ging. Er Projektion Eine Falkenfeder und ein Hammer gleichzeitig per Live-TV, die beiden Körper schlagen gleichzeitig auf den Dreck.

dort alte Überlieferung Experimentelle Überprüfung des schwachen Äquivalenzprinzips, das die Grundlage von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bildet. Test für Test über viele Jahrhunderte hinweg hat sich das Äquivalenzprinzip durchgesetzt. und jetzt Mikroskop (MICROSatellite pour l’Observation de Principe d’Equivalence) Die Expedition erreichte den bisher genauesten Test des Äquivalenzprinzips, Einstein behauptet erneut, mir letztes Papier Veröffentlicht in Physical Review Letters. (Weitere verwandte Artikel sind in einer Sonderausgabe von Classical and Quantitative Allure erschienen.)

Prüfung, 1, 2, 3

John Philoponus, der Philosoph des sechsten Jahrhunderts, behauptete als erster, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt fällt, nichts mit seinem Gewicht (seiner Masse) zu tun hat, und wurde später etwa 900 Jahre später zu einem großen Einfluss auf Galileo Galilei. Es wird angenommen, dass Galileo Artilleriegeschosse verschiedener Gruppen vom berühmten Schiefen Turm von Pisa in Italien abgeworfen hat, aber die Geschichte ist wahrscheinlich erfunden.

Galileo Sie tat Die Kugeln rollen unter schiefen Ebenen, was dafür sorgt, dass die Kugeln mit viel geringeren Geschwindigkeiten rollen, wodurch ihre Beschleunigung leichter zu messen ist. Die Kugeln waren ähnlich groß, aber einige waren aus Eisen, andere aus Holz, was ihre Massen unterschiedlich macht. In Ermangelung einer genauen Uhr soll Galileo die Reise der Kugeln mit seinem eigenen Puls gemessen haben. Und wie Philoponus stellte er fest, dass sich die Kugeln unabhängig von der Neigung mit der gleichen Beschleunigungsrate bewegen würden.

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Später verfeinerte Galilei seinen Ansatz mit einem Pendelapparat, bei dem die Schwingungsdauer von Pendeln unterschiedlicher Masse, aber gleicher Länge gemessen wurde. Diese Methode wurde auch von Isaac Newton um 1680 und später, 1832, von Friedrich Bessel bevorzugt, die beide die Genauigkeit der Messungen erheblich verbesserten. Newton erkannte auch, dass sich das Prinzip auf die Himmelskörper erstreckt, und berechnete, dass die Erde und der Mond sowie Jupiter und seine Monde mit der gleichen Geschwindigkeit auf die Sonne fallen. Die Erde hat einen Eisenkern, während der Mondkern hauptsächlich aus Silikaten besteht, und ihre Masse ist völlig anders. Nach der NASA Laserexperimente zur Mondreichweite Newtons Berechnungen bestätigten: Es fällt tatsächlich mit der gleichen Geschwindigkeit um die Sonne.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts hat der ungarische Physiker Lorand Etvös Kombinieren Sie den Pendelansatz mit dem Torsionsgleichgewicht, um die Torsion des Pendels zu erzeugen Und ich habe es verwendet, um das Äquivalenzprinzip genauer zu testen. Dieser einfache gerade Stab erwies sich als genau genug, um das Äquivalenzprinzip genauer zu testen. Torsionswaagen wurden auch in späteren Experimenten verwendet, wie zum Beispiel dem von 1964, bei dem Aluminium- und Goldstücke als Testblöcke verwendet wurden.

Illustration der Satellitenmission MICROSCOPE.
Zoomen / Illustration der Satellitenmission MICROSCOPE.

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Einstein zitierte das Eötvös-Experiment, um das Äquivalenzprinzip in seiner Arbeit von 1916 zu verifizieren, die den Grundstein für seine allgemeine Relativitätstheorie legte. Aber die allgemeine Relativitätstheorie funktioniert zwar gut auf der Makroebene, bricht aber auf der subatomaren Ebene zusammen, wo die Regeln der Quantenmechanik beginnen. Daher haben Physiker auf diesen Quantenskalen nach Paritätsverletzungen gesucht. Dies wäre ein Beweis für eine potenzielle neue Physik, die dazu beitragen könnte, die beiden zu einer großen Theorie zu vereinen.

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Eine Möglichkeit, die Äquivalenz auf der Quantenskala zu testen, ist die Materialwelleninterferometrie. Es geht um das klassische Michaelson-Morley-Experiment, bei dem versucht wurde, die Bewegung der Erde durch ein Medium namens leuchtenden Äther zu erfassen, von dem die Physiker damals dachten, dass es den Weltraum durchdringe. Im späten neunzehnten Jahrhundert, Thomas Young Verwenden Sie ein solches Werkzeug für sein berühmtes Doppelspaltexperiment, um zu testen, ob Licht ein Teilchen oder eine Welle ist – und wie wir heute wissen, ist Licht beides. Das Gleiches gilt für das Material.

Frühere Experimente mit Materiewellen-Interferometrie haben den freien Fall zweier Isotope desselben atomaren Elements gemessen, in der Hoffnung, subtile Unterschiede erfolglos zu entdecken. Im Jahr 2014 dachte ein Team von Physikern, dass es möglicherweise nicht genug Unterschiede zwischen ihren Formulierungen gibt, um eine maximale Empfindlichkeit zu erreichen. so dass sie Isotope verwendet Von den verschiedenen Elementen in ihrer Version dieser Experimente sind Rubidium- und Kaliumatome. Die Laserpulse sorgten dafür, dass die Atome vor der Rekombination auf getrennte Bahnen fielen. Die Forscher beobachteten das verräterische Interferenzmuster, was darauf hinweist, dass die Wertigkeit immer noch innerhalb von 1 Teil von 10 Millionen gehalten wurde.