211service.com
Neue Quantentheorie trennt Gravitations- und Trägheitsmasse
Das Äquivalenzprinzip ist eine der faszinierendsten Ideen der modernen Wissenschaft. Es behauptet, dass Gravitationsmasse und Trägheitsmasse identisch sind. Einstein drückte es so aus: Die Gravitationskraft, die wir auf der Erde erfahren, ist identisch mit der Kraft, die wir erfahren würden, wenn wir in einem Raumschiff sitzen würden, das mit 1 g beschleunigt. Newton hätte vielleicht gesagt, dass m in F=ma gleich ms in F=Gm1m2/r^2 ist.
Dies erscheint überaus sinnvoll. Und doch ist es nicht mehr als eine Behauptung. Sicher, wir können die Äquivalenz mit immer größerer Genauigkeit messen, aber nichts hält uns davon ab, dass die Beziehung irgendwann zusammenbricht. Tatsächlich sagen mehrere Modifikationen der Relativitätstheorie voraus, dass dies der Fall sein wird.
Eine wichtige Frage ist, was die Quantenmechanik dazu zu sagen hat. Aber Physiker waren bisher nicht in der Lage, die Quantentheorie als Hebel zu nutzen, um das Verhalten von Trägheits- und Gravitationsmasse auseinander zu ziehen.
All das ändert sich heute mit der außergewöhnlichen Arbeit von Endre Kajari an der Universität Ulm in Deutschland und ein paar Kumpels. Sie zeigen, wie es möglich ist, in der Quantenwelt Situationen zu schaffen, in denen die Wirkung von Trägheits- und Gravitationsmasse unterschiedlich sein muss. Tatsächlich zeigen sie, dass diese Unterschiede beliebig groß sein können.
Ihr Denken beginnt mit dem Hinweis auf den wichtigen Unterschied zwischen der Kinematik, die sich ausschließlich mit der Bewegung beschäftigt, nicht wie sie entsteht, und der Dynamik, die sich auf den Ursprung der Bewegung konzentriert. In der klassischen Welt hat dies keinen Einfluss auf die Auswirkungen von Trägheits- und Gravitationsmasse.
In der Quantenwelt hat jedoch die Art und Weise, wie Zustände vorbereitet werden, eine enorme Bedeutung. Sie weisen beispielsweise darauf hin, dass die Wellenfunktion eines Teilchens in einer Box überhaupt nicht von der Masse abhängt, während die Energiewellenfunktion eines harmonischen Oszillators von der Quadratwurzel der Masse abhängt.
Das führt zu einer interessanten Idee: dass es möglich ist, Kombinationen von Gravitations- und elektromagnetischen Boxen und Oszillatoren zu schaffen, in denen Trägheits- und Gravitationsmasse unterschiedliche Rollen spielen.
Es stellt sich heraus, dass Physiker bereits mit genau dieser Art von Aufbau spielen: dem sogenannten Atomtrampolin, bei dem eine Materiewelle unter dem Einfluss der Schwerkraft fällt, aber von einer elektromagnetischen Kraft zurückgeworfen wird. Sie berechnen, dass die Energieeigenwerte des Atoms proportional zur (Schweremasse)^2/3, aber zur (trägen Masse)^-1/3 sind.
Das ist ein erstaunliches Ergebnis. Die Art der Energiespektroskopie von Atomen oder Bose-Einstein-Kondensaten, die diesen Unterschied erkennen kann, sollte, wenn nicht jetzt, dann sehr bald in den nächsten Jahren möglich sein.
Wenn sie erfolgreich sind, werden diese Art von Untersuchungen eine völlig neue Möglichkeit bieten, die Natur der Masse zu untersuchen und, vielleicht noch wichtiger, die rätselhafte Beziehung zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zu untersuchen.
Kosmologen werden zum Beispiel wissen wollen, wie sich Trägheits- und Gravitationsmasse unter den extremsten Bedingungen im Universum verhält, etwa im Inneren Schwarzer Löcher.
Das verspricht spannende Jahre.
Ref: arxiv.org/abs/1006.1988 : Trägheits- und Gravitationsmasse in der Quantenmechanik