Physik: Einsteins Äquivalenprinzip konnte bestätigt werden

Das Äquivalenzprinzip ist ein wichtiges Grundprinzip aus der Physik. Beobachtet wurde es bereits von Galileo Galilei, ausformuliert wurde es von Isaac Newton, und Albert Einstein machte es schließlich zu einem Grundpfeiler seiner berühmten Allgemeinen Relativitätstheorie. Das Prinzip besagt, dass die Gravitation auf alle Objekte unabhängig von ihrer individuellen Zusammensetzung gleich wirkt. Physiker:innen ist es nun erneut gelungen, das Äquivalenzprinzip zu bestätigen und weiter zu präzisieren. Dabei konnten sie die Äquivalenz von aktiver und passiver Masse bis auf 14 Nachkommastellen genau zu bestätigen.

Foto: Earth, Kevin Gill, Flickr, CC BY-SA 2.0

Abstand zwischen Mond und Erde

Das Problem mit dem Äquivalenzprinzip ist, dass es nicht zu grundlegenden Vorgaben der Quantenphysik passt. Nach dieser dürften die träge Masse, die von der Reaktion auf die Gravitation bestimmte schwere Masse und die aktiv Gravitationskräfte ausübende anziehende Masse eigentlich nicht gleich sein.

Dieser Widerspruch motiviert Physiker:innen immer wieder dazu, das Äquivalenzprinzip auf die Probe zu stellen. So konnte das Mikrosatelliten-Experiment MICROSCOPE im Jahr 2022 die Gleichheit von träger und schwerer Masse mit einer Präzision von 10^-15 bestätigen. Bei schwerer und aktiv anziehender Masse lag die Genauigkeit bisher bei 10^-12.

Einem Team rund um Vishwa Vijay Singh von der Leibniz-Universität Hannover gelang es nun, die Äquivalenz der Gravitationseffekte von aktiver und passiver Masse genauer zu messen als jemals zuvor. Dabei griffen sie auf Daten des Lunar Laser Ranging zurück, mit dem seit 1970 der Abstand von Mond und Erde millimetergenau gemessen wird. Dies wird durch im Rahmen der Apollo-Missionen auf dem Mond deponierte Spiegel ermöglicht. Diese werden mit einem starken Laser beschossen und anhand der Zeit, die der Laser benötigt, um wieder auf die Erde zu treffen, kann dann der Abstand berechnet werden.

Sehr genaue Messungen bestätigen das Äquivalenzprinzip

Sollte das Äquivalenzprinzip stimmen, dürfte die unterschiedliche Zusammensetzung von Mondkern, Kruste und Mantel irrelevant sein. Gleiches gilt für die asymmetrische Verteilung der Basaltkruste der linaren Meere und des leichteren Hochlands. Sollten sich diese Faktoren doch in Unterschieden zwischen dem aktiven und passiven gravitativen Verhalten niederschlagen, spräche dies gegen das Äquivalenzprinzip.

Die Physiker:innen griffen nun auf 40 Jahre Daten von der lunaren Abstandsmessung zurück und untersuchten diese. Außerdem haben sie diese Daten mit einem Modell verglichen, in das auch die Schwerkrafteinflüsse von der Sonne, der Erde und anderen Planeten mit eingeflossen sind.

„Wir haben ein neues Limit für die Verletzung der Äquivalenz der passiven und aktiven Gravitationsmasse ermittelt„, fassen die Physiker:innen die Ergebnisse zusammen. Beide Effekte seien bis auf die 14. Nachkommastelle äquivalent. Die Überprüfung ist dabei etwa im den Faktor 100 genauer ausgefallen als frühere Messungen.

via Leibnitz Universität Hannover