Aktuelles

F.A.Z. v. 17.11.1999

Die Masse im Schwerefeld

Feldenergie ohne Einfluß auf die Bewegung / Einstein bestätigt / Von Rainer Scharf

Bisher hat Einsteins Gravitationstheorie alle experimentellen Tests glänzend bestanden. Sie postuliert unter anderem, dass die Beschleunigung, die ein materielles Objekt in einem Schwerefeld erfährt, unabhängig von seiner Masse oder chemischen Zusammensetzung ist. Die Physiker erwarten indes, dass sich bei hinreichend präzisen Messungen geringfügige Abweichungen im Verhalten zeigen sollten. Bei Laborexperimenten mit kleinen Massen konnte man solche aber bislang nicht feststellen. Jetzt haben Wissenschaftler von der University of Washington in Seattle experimentell überprüft, ob Einsteins Vorhersage auch für große Massen wie die Erde und den Mond gilt, die sich gemeinsam im Gravitationsfeld der Sonne bewegen. Wie sich herausstellt, stimmen auch in diesem Fall Theorie und Experiment im Rahmen der Messgenauigkeit überein.

Auf Grund ihrer enormen Masse sind Erde und Mond von starken Gravitationsfeldern umgeben, in denen eine merkliche negative Feldenergie gespeichert ist. Da Masse und Energie äquivalent sind, besitzt diese Feldenergie ebenfalls eine Masse - allerdings mit negativem Vorzeichen. Deshalb ist die Gesamtmasse der Erde unter Einbeziehung ihres Gravitationsfeldes um ein halbes Milliardstel vermindert, die des Mondes nur um einen Bruchteil davon. Wegen ihres wesentlich stärkeren Gravitationsfeldes enthält die Erde relativ mehr "Feldenergie-Masse" als der Mond. Nach Einsteins Theorie sollte dieser Beitrag für die Bewegung von Erde und Mond im Schwerefeld der Sonne genauso wenig eine Rolle spielen wie die eventuellen Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung.

Die Forscher um Eric Adelberger haben diese bislang unbewiesene Annahme jetzt mit großer Genauigkeit bestätigt ("Physical Review Letters", Bd. 83, S. 3585). Zunächst führten sie ein Laborexperiment aus, um auszuschließen, dass die unterschiedliche chemische Zusammensetzung von Erde und Mond einen Einfluss auf ihre Bewegungen hat. Sie stellten vier gleich große zylindrische Testmassen von je zehn Gramm her. Zwei der Massen bestanden hauptsächlich aus Eisen und Nickel und repräsentierten den Erdkern, zwei weitere enthielten vor allem Silizium, Magnesium und Sauerstoff, die Hauptbestandteile des Mondes. Die vier Testmassen wurden an einem Torsionspendel befestigt, dessen Bewegungen die Wissenschaftler mit Hilfe eines Laserstrahls über zehn Monate hinweg überwacht haben. Nachdem sie die störenden Einflüsse des irdischen Schwerefeldes und die täglichen Temperaturschwankungen berücksichtigt hatten, fanden sie, dass alle Testmassen von der Sonne gleich stark angezogen wurden. Die chemische Zusammensetzung der Massen spielte also, wie Einstein postuliert hat, keine Rolle.

Dann untersuchten die Forscher, inwieweit die unterschiedlichen Anteile von "Feldenergie-Masse" die Bahnen von Erde und Mond beeinflussen. Hier konnten sie auf frühere Messungen zurückgreifen. Mit Hilfe von Laserreflektoren, die man bei den Apollo-Flügen auf dem Mond zurückgelassen hatte, ist der Abstand zwischen Erde und Mond über drei Jahrzehnte hinweg kontinuierlich mit großer Präzision gemessen worden. Wie die Analyse der Daten zeigt, sagt Einsteins Gravitationstheorie die Bahn des Mondes auf den Zentimeter genau vorher.

Dieselbe Präzision wurde übrigens auch im Torsionspendelexperiment erreicht. Beides zusammen erlaubt folgenden Schluss: Innerhalb der erreichten Messgenauigkeit ist es für das Verhalten eines Himmelskörpers im Schwerefeld der Sonne unerheblich, welche chemische Zusammensetzung er hat und wie groß der Anteil von "Feldenergie-Masse" an seiner Gesamtmasse ist. Eine präzisere Messung der Mondbahn und ein verbessertes Torsionspendel sollen die Grenzen der Einstein'schen Gravitationstheorie demnächst noch genauer ausloten. 
>>> Zur Startseite