Die letzten dreißig Jahre seines Lebens suchte Albert Einstein nach der “Theorie von Allem” ? der Theorie, die sämtliche physikalische Gesetze widerspruchsfrei beschreiben soll. Er fand sie nicht. Heute gibt es für die Theorie von Allem verschiedene Kandidaten, die vor allem Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie in Einklang bringen müssen. Das Problem: Die Vorhersagen der miteinander konkurrierenden Versionen unterscheiden sich nur in Bereichen, die bisher nicht experimentell überprüfbar waren. Doch Slava Turychev vom Jet Propulsion Laboratory der Nasa und seine Kollegen schlagen jetzt im ePrint-Archiv arXiv.org (gr-qc/0401063) ein Experiment auf der Internationalen Raumstation (ISS) vor, das diese Theorien auf den Prüfstand bringen soll.
“Den Nobelpreis in Physik sollte jeweils der Physiker bekommen, der im entsprechenden Jahr KEIN neues Elementarteilchen entdeckt hat.” Der verwirrende “Zoo” physikalischer Teilchen, vor dem die Physiker in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts standen, trieb Robert Oppenheimer, den Vater der Atombombe, zu dieser ironischen Aussage. Doch in den darauffolgenden Jahrzehnten gelang es den theoretischen Physikern, drei der vier physikalischen Grundkräfte in einer vereinigten Theorie zu beschreiben ? dem so genannten Standardmodell der Teilchenphysik. Mit den Fundamentalteilchen dieses Standardmodells als Bausteine kann man heute den unübersichtlichen Teilchenzoo “zusammenbauen”.
Für die Verwirklichung Einsteins Idee einer Theorie von Allem fehlt diesem Standardmodell jedoch die Einbeziehung Einsteins eigener Relativitätstheorie. Die Vereinigung zwischen der Relativitätstheorie und der Quantentheorie wird auch benötigt, um extreme Raumzeitregionen wie beispielsweise den Urknall oder Schwarze Löcher widerspruchsfrei beschreiben zu können.
Zu den vielversprechendsten Kandidaten für die gesuchte Theorie von Allem gehören die verschiedenen Varianten der Stringtheorie, bei denen die fundamentalen Bausteine unserer Welt winzige Fäden ? die so genannten Strings ? sind. Die Vorhersagen, die diese Theorien für die Physik weniger extremer Raumzeitregionen machen, weichen nur sehr wenig von denen der Relativitätstheorie ab. Seit einigen Jahren gibt es zwar erste Beobachtungshinweise auf Abweichungen von den Vorhersagen der Relativitätstheorie, aber keine ist unumstritten. Das Experiment Lator (Laser Astrometric Test of Relativity), das Turychev und seine Kollegen vorschlagen, würde eine Messgenauigkeit erreichen, die erstmals eindeutige Aussagen erlaubt.
Lator soll die sowohl von der Allgemeinen Relativitätstheorie als auch von den alternativen Theorien vorhergesagte Ablenkung eines Lichtstrahls durch das Schwerkraftfeld der Sonne messen. Weil die Masse der Sonne den Raum krümmt, bewegt das Licht sich in ihrer Nähe nicht exakt geradeaus.
An sich ist diese Messung heute kein Problem mehr. Bereits 1919 führte Sir Arthur Eddington solch eine Messung durch und bestätigte damit die Vorhersage der Relativitätstheorie. Entscheidend ist aber: Lator wird eine Messgenauigkeit erreichen, die eine Milliarde mal höher ist als die von Eddingtons Messung. Lators Ergebnisse werden noch 30.000-mal genauer sein als die, welche italienische Physiker kürzlich mit Hilfe der Saturn-Sonde Cassini erhielten. Lator dringt damit erstmals eindeutig in den Genauigkeitsbereich vor, in dem die Vorhersagen der Relativitätstheorie von den Vorhersagen vieler der alternativen Theorien abweichen.
Neben einer Messeinrichtung auf der ISS wird Lator aus zwei kleinen, etwa einen Meter großen Raumsonden bestehen, die sich entlang der Erdbahn auf die andere Seite der Sonne bewegen werden, so dass die Sonne etwa zwischen der Erde und den Sonden steht. Die Sonden werden dabei etwa fünf Millionen Kilometer voneinander entfernt sein.
Beide Sonden werden Laserstrahlen zur ISS schicken. Dabei wird eine der beiden Sonden so positioniert sein, dass ihr Laserstrahl sehr nahe an der Sonne vorbeiläuft und deshalb abgelenkt wird. Aus dem zwischen den beiden Laserstrahlen auf der ISS gemessenem Winkel wird die Ablenkung berechnet. Die Messgenauigkeit beträgt etwa fünf Billionstel Grad. Eine derartige Präzision kann unter anderem deshalb erreicht werden, weil die Laserstrahlen nicht die Erdatmosphäre durchqueren müssen.
Einige der alternativen Theorien weichen in ihrer Vorhersage um das Tausendfache dieser Messgenauigkeit von dem Wert ab, den die Relativitätstheorie vorhergesagt. Lator wird somit erstmals eindeutige Aussagen gegen oder für die konkurrierenden Theorien liefern. Da Lator nur bereits existierende Technologien benötigt, glaubt Turychev, dass das Experiment im Jahr 2010 einsatzbereit sein könnte.
Axel Tillemans
