„Frontiers of extragalactic

astrophysics“ SoSe

2009

Silke BritzenMax-Planck-Institut für RadioastronomieBonn

Tel.: 0228 525 280E-mail: sbritzen@mpifr-bonn.mpg.deInternet: http://www.mpifr-bonn.mpg.de/staff/sbritzen/

Programm SoSe

09

03.04. Überblick über die Themen des Semesters

17.04. Die Konstanz der Naturkonstanten

08.05. Aus aktuellem Anlass: Planck & Herschel

22.05. Äquivalenzprinzip & Schleifen-Quantengravitation

05.06. Zeitreisen

19.06. Gibt es Extraterrestrisches Leben?

03.07.

Erfolgreicher Start: Herschel & Planck

•

Herschel-Spiegel: keramisches Material –

Siliziumkarbid (SiC), hergestellt von der Carl Zeiss AG in Oberkochen

•

Betriebssoftware der Kamera für Herschel

Die Konstanz der Naturkonstanten

Heute:•Einsteins Äquivalenzprinzip

•Schleifen-Quantengravitation

•Was hat das Äquivalenzprinzip mit der Schleifen-Quantengravitation zu tun?

•Wie kann man das Äquivalenzprinzip testen?

•Neue (Äquivalenztest) Weltraum-Missionen•Neue Fundamentale-Physik

Weltraum-Missionen

Die Konstanz der Naturkonstanten

Einsteins Äquivalenzprinzip

G. Wunner

G. Wunner

G. Wunner

G. Wunner

G. Wunner

Äquivalenzprinzip

•

Spezielle Relativitätstheorie schien nur den Rahmen für gravitationsfreie Physik zu schaffen –

erst 1915 gelang es Einstein mit der ART auch die Gravitation in

ein neues Bild von Raum und Zeit einzuordnen

Kabine auf der Erde,Gravitation läßt

Objekte Beschleunigt zur Erde fallen

Kabine an Bord einer Rakete, wird durch ihrTriebwerk mit 9.81 Metern pro Sekunde Beschleunigt –

der Kabinenboden bewegt sich beschleunigt auf Objekte zu

Nicht unterscheidbar!

Äquivalenzprinzip

•

Ebenfalls ununterscheidbar die Situation in der Schwerelosigkeit

Kabine auf der Erde,im freien Fall

Kabine in der Schwerelosigkeit

Ununterscheidbar, in der Kabine selbst ist keineWirkung der Gravitation zu spüren (ist auch die Situation auf der Internationalen Raumstation ISS –

90% der Erdschwerkraft, Stationund Astronauten befinden sich im freien Fall um die Erde –

auf einerErdumlaufbahn)

Äquivalenzprinzip

•

Am Verhalten frei fallender Körper kann man nicht entscheiden, ob man sich in einem Schwerefeld befindet oder nicht. Ob Körper beschleunigt zum Kabinenboden fallen, ist eine Frage des Bezugssystems:

–

Selbst in einer gravitationsfreien Raumregion fallen Körper zu Boden, wenn an der Kabine ein Raketentriebwerk angebracht ist, das die Kabine beschleunigt

–

Selbst in einem Schwerefeld schweben Körper frei im Raum, wenn es sich bei der Kabine um ein frei fallendes System handelt

•

Einstein schließt daraus: mit keinem Experiment, anhand keines physikalischen Gesetzes kann man feststellen, ob man sich im gravitationsfreien

Raum oder in

einer fallenden Kabine im Schwerefeld befindet:

•

Einstein‘sches Äquivalenzprinzip: In jedem frei fallenden Bezugssystem gelten dieselben physikalischen Gesetze, wie sich auch in der gravitationsfreien Physik gelten –

sprich, in der Physik der speziellen Relativitätstheorie

•

Schwaches Äquivalenzprinzip:

Alle Körper, die sich an ein und demselben Ort im Gravitationsfeld befinden, fallen gleich schnell

•

Strenggenommen gelten die Aussagen zur Äquivalenz von Gravitation und Beschleunigung nur in einem absolut homogenen Gravitationsfeld, wirklich Gravitationsfelder sind immer in irgendeiner Weise inhomogen

Äquivalenzprinzip

•

Bsp.Kabine

mit Bällen –

fallen nicht parallel zueinander her, sondern auf ein und denselben Punkt zu –

den Erdmittelpunkt; für

den Beobachter in der fallenden Kabine zeigt sich das daran, dass sich die Bälle leicht aufeinander zubewegen

(Gezeiteneffekt)

•

Genauer gesagt: In jedem frei fallenden Bezugssystem gelten dieselben physikalischen Gesetze wie in der Speziellen Relativitätstheorie solange Gezeiteneffekte vernachlässigt werden können

•

Wählt man die Kabine nur genügend klein und den Beobachtungszeitraum genügend kurz, kann man auch die Abweichung der physikalischen Gesetze im Kabineninneren von denen der Speziellen Relativitätstheorie beliebig gering werden lassen

Masse und Trägheit

•

Masse ist ein Maß für die Trägheit eines Körpers •

Weltraum: Ball wird deutlich beschleunigt durch Schubs und fliegt mit hoher Geschwindigkeit davon, Kiste wird nur gering beschleunigt

•

Beschleunigung = Kraft / Masse •

Mit Gravitation: verschiedene Objekte beschleunigen gleich schnell beim Fall auf die Erde (Vakuumkammer, Feder und Bleigewicht)

•

Gravitationsbeschleunigung ist unabhängig von den Massen der fallenden Objekte

Masse und Trägheit

•

Wenn man die Gravitation als Kraft beschreiben will –

Gravitationskraft•

Gravitationskraft wird gemessen mit einer Federanordnung –

Objekt an die Feder

hängen –

ergibt die Gravitationskraft, die das Objekt gen Erdboden zieht: Gewicht (ist eine Kraft!!)

•

Beschleunigung = Kraft / (träge Masse)•

Damit die Beschleunigung für alle Objekte die gleiche ist, müssen die Gravitationskräfte je nach Objektmasse variieren, muß proportional der Masse sein

•

Gravitationskraft = Masse x g•

Beschleunigung = Gravitationskraft / Masse = (Masse x g) / Masse = g

•

Dass die Kraftstärke zu einer Objekteigenschaft proportional ist, ist in der Physik der Kräfte und Felder die Regel. Die Objekteigenschaft heißt die zur Kraft gehörige Ladung des Objekts –

Masse ist in diesem Sinne eine

Gravitationsladung

Masse und Trägheit•

Die Ladung eines Objekts bestimmt auch, wie stark die Kraft ist,

die von diesem Objekt ausgeht –

die Masse als Gravitationsladung bestimmt die Gravitationskraft, mit der das betreffende Objekt auf es umgebende Körper wirkt (sie wird angezogen und sie zieht an –

aktive und passive Ladung); Bsp. Aktive Gravitationsladung der Sonne läßt

sich durch Beobachtungen der Planetenbahnen bestimmen

•

Die aktive Gravitationsladung ist ebenfalls zur Masse proportional, Proportionalitätsfaktor ist die Gravitationskonstante

•

Dreierlei Masse: aktive und passive Gravitationsladung und Maß für die Trägheit eines Körpers

•

ODER: 3 verschiedene physikalische Größen ??•

UND: lassen sich die Unterschiede experimentell nachweisen ??? Oder bestätigen die Experimente die Gleichheit der verschiedenen Arten von Masse ???

•

Bisher: Passive schwere Masse und aktive schwere Masse und träge Masse sind gleich

•

In der klassichen Physik ist unklar, wie es zu dieser Gleichheit kommt.

•

In der ART ist die Reaktion von Körpern auf Gravitationseinwirkung rein geometrisch erklärt – Massen verzerren die Geometrie von Raum und Zeit, und alle Körper folgen den geradestmöglichen Bahnen in dieser verzerrten Raumzeit. Daß alle Körper in einer gegebenen Situation die gleiche Fallbeschleunigung erfahren, liegt daran, daß ihre Bewegung direkt von den Eigenschaften der sie umgebenden Raumzeit bestimmt wird

Was ist Gravitation?

•

ART: zum Teil ist Gravitation eine Illusion, zum Teil assoziiert mit einer Eigenschaft namens „Krümmung“. Insgesamt ist Gravitation ein Aspekt der Geometrie von Raum und Zeit.

•

Beobachter auf einer raketenbetriebenen Raumstation, die mit 9.81 m/s2 beschleunigt wird: Unten ist, wohin alle Körper fallen, Oben ist die Gegenrichtung –

vergleichbar der Erde, aber nirgendwo ist Schwerkraft am Werk !!

•

Wird das Raketentriebwerk abgeschaltet, ist der Spuk vorbei, und kein Objekt „fällt“

mehr nach unten –

verhält es sich mit der Schwerkraft auf der Erde genauso? Ist sie Folge des unnatürlich-

beschleunigten

Bezugssystems und verschwindet, sobald wir zu einem frei fallenden Bezugssystem übergehen?

•

Nein –

auch beim Übergang in ein frei fallendes Bezugssystem läßt

sich die Schwerkraft der Erde nicht vollständig beseitigen –

sie läßt

sich nicht wegtransformieren

Gezeitenkraft –

Schwerkraft auf den linken Ball hat leicht unterschiedlicheRichtung

Was ist Gravitation?

•

Je größer der betrachtete Raumzeitbereich ist, je größer die Fahrstuhlkabine, je länger wir beobachten, umso deutlicher werden die Gezeitenkräfte –

der auch im freien Fall nachweisbare „Rest an Schwerkraft“

•

Doppelnatur der Gravitation: zum Teil eine Scheinkraft, zum Teil

eine Gezeitenkraft•

Entsprechung dazu in der reinen Mathematik, in der Geometrie verzerrter oder gekrümmter Flächen

•

Bsp. Kugeloberfläche –

es gibt keine Geraden sondern nur Kurven, die kürzeste Verbindung zw. zwei Punkten auf einer Kugeloberfläche führt entlang des Großkreises

•

Betrachtet man einen winzigen Oberflächenausschnitt aus einer Kugel, dann ist er kaum zu unterscheiden von einer kleinen Region eins flachen Blattes Papier

•

Vergleichbar der Raumzeit –

erst in einemGrößeren Raumzeitausschnitt, etwa einer Kabine von riesenhaften Ausmaßen, zeigt sich, daß

die be-trachtete Raumzeit von der gravitationsfreien,„flachen“

Raumzeit abweicht⇒

Einstein‘s

geometrische Gravitationstheorie⇒

Raumzeit ist in Anwesenheit einer Masse gekrümmt

Was ist Gravitation?

•

In Einsteins Universum ist Gravitation jede Verzerrung der Geometrie von Raum und Zeit. Genauer betrachtet hat sie 2 Seiten:

–

Ein Teil der Gravitation ist ein Artefakt, abhängig vom Bezugssystem des jeweiligen Beobachters. Dieser Teil läßt

sich zum Verschwinden bringen, wenn man zu einem frei fallenden Bezugssystem übergeht. Auf der Erde gehören die Körper , die zu Boden fallen dazu (relative Gravitation)

–

Die „intrinsische Gravitation“

mach sich durch Gezeitenkräfte bemerkbar und hängt direkt mit einer ganz bestimmten geometrischen Eigenschaft zusammen: der Krümmung der Raumzeit.

Äquivalenzprinzip im Test

•

String-Theorie stellt die Annahme, dass träge und schwere Masse äquivalent sind in Frage

•

Schleifen-Quantengravitation stellt die Annahme, dass träge und schwere Masse äquivalent sind in Frage

Auf dem Wegzu einer neuen Physik

Die Konstanz der Naturkonstanten

Schleifen-Quantengravitation

Literatur zum Thema Schleifen-Quantengravitation

•

Die ausführlichste Darstellung zum Thema:Quantum Gravityvon Carlo Rovelli, Draft, Version Dezember 2003

Einführung des mathematischen Formalismus, detaillierte Darstellung der Theorie und Querverbindungen, Historie, Bibliographie, etc.

•

Kompakter und verständlicher:Loop and Spin Foam Quantum Gravity: A Brief Guide for Beginnersvon Hermann Nicolai und Kasper Peeters

kleiner Ausschnitt ….

Die Geschichte der SQG

•

1915: Einstein, Allgemeiner Relativitätstheorie•

1916: Einstein: Quanteneffekte müssen zur Modifikation der ART führen•

1926: Quantenmechanik•

1927: Oskar Klein: Quantengravitation sollte die Konzepte der Raum und Zeit ultimativ modifizieren

•

1930: Born, Jordan, Dirac

formulieren die Quanteneigenschaften des elektromagnetischen Feldes

•

30iger Jahre: Rosenfeld schreibt das erste technische Manuskript

über Quantengravitation•

1934: „Graviton“

taucht zum erstenmal

in einer Publikation von Blokhintsev

und Gal‘perin•

…•

1988: „loop

representation

of quantum

general

relativity“

wird eingeführt von Lee Smolin, Abhay

Ashtekar, Ted Jacobson. Nach diesem Konzept, was erstmals 1987 in Indien vorgestellt wurde, besteht die Welt aus kleinsten ringförmigen Gebilden („Loops“), die maximal einen Durchmesser von 10-33

Metern aufweisen. Nicht allein der Raum, sondern auch die Zeit generieren sich aus diesen strukturellen Bausteinen bzw. „diskreten Stücken“

wie Smolin

sie nennt. Könnte man einen direkten Blick in diesen Sub-Mikrokosmos werfen, würde man ein linienförmiges, verknotetes, unübersichtliches Gewebe aus polymerartigen eindimensionalen Fäden, in dem aber Raum und Zeit noch nicht existent sind, sehen.

•

…..Ausgezeichnete Darstellung der historischen Entwicklung zu finden im Appendix zu …

Quantum Gravity von Carlo Rovelli

LQG•

„Nur die Linien und Knoten existieren; sie machen den Raum aus, und die Art ihrer Verbindungen definiert die Geometrie des Raumes“

so L. Smolin

über die so genannten Spin-Netzwerke

•

Ein Knoten entspricht in der Regel einem Volumen von einer Kubik-Planck-Länge, und eine Linie einer Fläche von einer Planck-Länge zum Quadrat, wobei aber ein solches Spin-

Netzwerk beliebig groß

und komplex sein kann. (Planck-Länge, kleinstmögliche Längenskala, Größenordnung von 10-33cm)

•

„Könnten wir den Quantenzustand des Universums detailliert abbilden

–

seine durch die Schwerkraft von Galaxien, Schwarzen Löchern und allem übrigen verzerrte räumliche Geometrie –

so käme ein gigantisches, unvorstellbar komplexes Spin-Netz mit rund 10184

Knoten heraus“

(L.Smolin)

•

Das „Werden der Zeit“: ähnlich dem Raum, der durch die diskrete Geometrie seiner Spin-

Netze definiert wird, ergeht es der Zeit. Sie wird erst durch die Abfolge diskreter Züge definiert, die das Netzwerk umordnen. Zeit ist nun diskret! Sie ist nicht mehr kontinuierlich, sondern tickt wie eine Uhr, wobei jedes Ticken ungefähr einer Planck-Zeit von 10-43

Sekunden entspricht.

•

Für Ashtekar

währt das Spin-Netzwerk ewig. Es gab keine Entstehung des Universums aus dem Nichts, weil das Nichts schlichtweg nicht existiert. Es gab immer schon etwas. Das „Etwas“

ist das postulierte Spin-Netzwerk. „Der Raum wird praktisch in sich selbst umgestülpt“. (Bojowald)

Loop

Quantengravitation

22.05. Loop

Quantengravitation

Schleifen-

Quantengravitation•

ART und QM widersprechen sich nicht! Eine Quantentheorie, die die ART als klassiches

Limit hat, scheint zu existieren!•

Damit man beide vereinen kann, müssen sowohl QM als auch die klassische ART entsprechend formuliert und interpretiert werden

•

Die ART änderte unser Verständnis von Dynamik, die Struktur mechanischer Systeme –

die Hauptänderung in der LQG ist: die Dynamik behandelt alle physikalischen Variablen (teilweise Beobachtungsgrößen) auf derselben Ebene und sagt ihre Korrelationen voraus. „Zeit“

wird nicht als gesonderte Variable herausgenommen um die Entwicklung relativ zu ihr zu beschreiben!!

Die Dynamik handelt nicht von der zeitlichen Evolution sondern von den Relationen zwischen Beobachtungsgrößen.

•

In der QM folgt ein physikalisches System nicht einer Trajektorie

(eine klassiche

Trajektorie

des Gravitationsfelds ist die Raumzeit). Einstein‘s

Hauptentdeckung

ist, daß

die Raumzeit und das Gravitationsfeld dasselbe Objekt sind!! Aus der Sicht der QM ist es nützlicher zu sagen, daß

es keine Raumzeit, sondern nur das Gravitationsfeld gibt. Der fiktionelle

Hintergrund Raumzeit, eingeführt durch Newton, existiert nicht. Physikalische Felder und ihre Relationen sind die einzigen Komponenten der Realität.

Beobachtungen und Vorhersagen

•

Zwei Arten von Messungen:–

Uhren und Längenmaßstäbe –

messen die relative Position des Detektors–

Teilchendetektoren –

messen die Feldeigenschaften

•

In der klassischen Physik würde Teil I sich auf die Lokalisierung bezüglich einer Hintergrund Raumzeit beziehen. Teil II auf die dynamischen Variablen der Feldtheorie. Diese Unterscheidungen fallen weg, beide betrachten den Wert des

Feldes an der Grenze der experimentellen Region.

•

Hat eine Reihe von Detektoren eine bestimmte Anzahl von Feldeigenschaften und ihre relativen Abstände sind gemessen, sollte die Theorie einen assoziierte Korrelations-

Wahrscheinlichkeits-Amplitude

liefern. Diese ermöglicht uns die relative Frequenz eines bestimmten Ergebnisses im Vergleich zu einem unterschiedlichen Ergebnis derselben Messung zu berechnen

Raum & Zeit in der LQG

•

Raum: der konventionelle Raum verschwindet und dies ist charakteristische Eigenschaft der LQG. Es gibt Quanten-Anregungen des Gravitationsfeldes, deren Wahrscheinlichkeitsamplituden beschreiben die Transformation in einander. Diese „Quanten der Gravitation“

leben nicht in einer Raumzeit sondern sie sind Raum –

die Idee, der Raum sei der „Container“

der physikalischen Welt ist verschwunden.

•

Stattdessen ist der physikalische Raum um uns herum ein Aggregat

von individuellen Quanten des Gravitationsfelds, repräsentiert durch die Knoten eines Spin-Netzwerkes –

eine Quanten-Superposition von solchen Aggregaten (der Raum ist eine Relation

zwischen den Dingen –

entsprechend der Ansicht vor Newton; Realität ist ein Netz von Wechselwirkungen)

•

Zeit: zweite charakteristische Eigenschaft der LQG ist das Verschwinden der konventionellen physikalischen Zeit. Die physikalische Welt wird nicht mehr als Zeitevolution von Zuständen und Beobachtungsgrößen beschrieben, sondern als Korrelationen zwischen Beobachtungsgrößen

In Kürze

Schleifen-Quantengravitation- Hintergrundunabhängigkeit- Struktur von Raum und Zeit

auf Planck-Skala

-Enthält eine Berechnung der Entropie Schwarzer Löcher

-Ersetzt die Urknall-Raumzeit Singularität durch Big Bounce

Anwendungen der LQG

•

Traditionelle Anwendungen sind: Frühe Kosmologie (Urknall), Schwarz-Loch Physik

•

Frühe Kosmologie:–

Wichtiger Vorteil der Theorie: die Quantisierung

der Geometrie–

Dadurch:kein Singularitäten!! Das Universum kann eine minimale Größe haben.–

Semiklassisches Verhalten: die kosmologische Evolution nähert sich dem Verhalten der Standard Friedmann Dynamik für große Werte des Skalenfaktors, aber unterscheidet sich bei kleinen Werten

–

Quantisierung des Skalenfaktors: Der Skalenfaktor –

und das Volumen des Universums –

sind quantisiert

(Skalenfaktor kann als kosmologischer Zeitparameter angesehen werden); Die kosmologische Zeit ist quantisiert.

–

Inflation: wird angetrieben durch die Quanteneigenschaften des Gravitationsfeldes selber (also nicht durch skalares

Feld)

Loop

Quantengravitation

•

Interessante Aspekte:–

Sie schreibt nicht vor, daß

nur räumlich benachbarte Raumquanten miteinander verbunden sind. Hin und wieder könnten auch extrem weit entfernte Quanten miteinander verbunden sein. Solche nichtlokalen Verbindungen –

so L. Smolin

–

könnten der Quantentheorie vielleicht jene Zufälligkeit austreiben, die Einstein so haßte

und von der er glaubte, daß

sie letztlich unserer Unkenntnis über irgendwelche noch „verborgenen Parameter“

geschuldet sei. „Die Verteilungen solcher nichtlokaler Verbindungen könnten diese verborgenen Parameter sein.“

Da sie über kosmische Distanzen reichen, könne man sie im Experiment nicht kontrollieren, wodurch uns ihre Wirkung als blanker Zufall erscheinen muß. Dann gebe es doch eine Ursache dafür, warum das Uranatom jetzt zerfällt und nicht ein paar Minuten später –

nur läge sie irgendwo in den Tiefen des Alls. Gott müßte

also nicht würfeln.

–

Hochenergetisches Ende der kosmischen Hintergrundstrahlung könnten bis zur Erde gelangen –

kann Beobachtungsergebnisse erklären

–

Beschreibt einen exakten Quantenzustand eines Universums mit positiver kosmologischer Konstante

–

Strahlung von Gammastrahlen-Ausbrüchen müßte

je nach Energie zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommen –

GLAST ?

„Time will go along, dust will settle, and it will slowly become clear if we are right, if some of us are right, or – a possibility never to disregard – if we all are wrong.“

Carlo Rovelli

Die Konstanz der Naturkonstanten

Schleifen-Quantengravitation und das Äquivalenzprinzip

Messbare Effekte?

•

Die Suche nach Verletzungen des Einsteinschen Äquivalenzprinzips ist wichtige Strategie im Aufspüren möglicher Effekte der Quantengravitation

•

Mögliche Konsequenzen:–

Struktur der Raumzeit: fluktuierende Raumzeit-Metrik, fluktuierende Topologien im Kleinen, Modifikationen der metrischen Struktur -> einzige Möglichkeit: die Dynamik von Teilchen und Felder explorieren

•

Verletzte Lorentz-Invarianz: Messergebnisse bestimmter Laborexperimente wären von der Orientierung oder Geschwindigkeit des Labors abhängig

•

Nichtlineare Zusatzterme: würde Superpositionsprinzip der Quantentheorie verletzen

•

Nichtunitäre

Zusatzterme: Wahrscheinlichkeitserhaltung oder Stromerhaltung wären verletzt

•

etc.–

Das führt zu den folgenden Effekten:•

Anisotrope

Lichtgeschwindigkeit, unterschiedliche Lichtausbreitung in verschiedenen Raumrichtungen –

es gäbe dann doch ein vor allen anderen Inertialsystemen

ausgezeichnetes, absolutes Bezugssystem•

Ausmessung von Spektren würde von der Ausrichtung oder Geschwindigkeit des Labors abhängen

•

Verletzung der Universalität des freien Falls: Er hängt dann vom Bezugssystem ab. Verletzung der Universalität der gravitativen

Rotverschiebung

Messbare Effekte?

–

Das führt zu den folgenden Effekten:

•

Modifizierte Dispersionsrelation für die Lichtausbreitung im Vakuum –

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von der Lichtfrequenz abhängig. Greisen, Kuzmin, Zatsepin

GZK Cutoff

würde modifiziert –

Obergrenze in der Energie kosmischer Strahlung. Teilchen mit Energien über 1019 eV

können mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund wechselwirken. Da sie dabei Energie verlieren, können sie im Universum nur kürzere Strecken zurücklgeben. Eine Beobachtung solcher hochenergetischer Teilchen legt eine quantengravitationsmodifizierte Dispersionsrelation nahe.

•

Ladungs-

und Wahrscheinlichkeitserhaltung werden verletzt•

Ungleichheit von aktiver und passiver Masse oder Ladung (aktive Masse erzeugt das Gravitationsfeld, passive Masse reagiert darauf) (Lunar Laser Ranging)

•

Dekohärenz

quantenmechanischer Zustände, könnte Interferenzfähigkeit von Quantenfeldern beeinträchtigen

•

Konstanten werden zeitabhängig, z.Bsp. die Feinstrukturkonstante•

etc.

Sind die Effekte messbar?

•

Aber:–

Aus den Daten der Teilchenbeschleuniger läßt

sich ablesen, daß

die Vereinigungsenergie von elektroschwacher und starker WW, die GUT

(Grand Unified

Theory) bei etwa 1025

eV

liegt. Vermutlich erreicht die Gravitation auf dieser Skala dieselbe Stärke, damit läge die Energieskala der Quantengravitation drei Größenordnungen unterhalb der Planck-Energie –

wäre also erreichbar–

Unterschiedliche Teilchen könnten auf der Erde mit einer um 10-12m/s2

verschiedenen Beschleunigung fallen–

Einige Naturkonstanten sollten von der Zeit abhängen –

präziser Langzeitvergleich hochstabiler Uhren könnte das offenlegen

–

etc.

Sind die Effekte messbar?

•

Messgenauigkeit erhöhen oder experimentelles Neuland erkunden

(Teilchen höchster Energie in kosmischer Strahlung)!! Bose-Einstein-Kondensate

könnten bei extremer Kälte Raumzeit-Fluktuationen aufspüren, könnte sich in einer fundamentalen Dekohärenz

von Quantenzuständen äußern. Extrem tiefe Temperaturen können durch den freien Fall erzeugt werden.

Fallexperimente am Bremer Fallturm –

über eine Sekunde lang von der Gravitation ungestört evolvieren

zu lassen•

Pioneer-Sonden stellen das bisher größtskalige menschliche Experiment dar•

Gravitationswelleninterferometer im All

•

Bevorzugt untersuchen: Verletzung einer Universalität des freien Falls, der Universalität der gravitativen Rotverschiebung, Zeitabhängigkeit von Konstanten

Die Konstanz der Naturkonstanten

Wie kann man das Äquivalenzprinzip testen?

The equivalence principle●

Einstein's “happiest thought” (1907): the effects of gravity can be locally“transformed away” by accelerating along with the test body

●

I.e., gravitation = acceleration

Gravity onearth---oraccelerationin space

Fallingon earth---or floatingin space

●

But is this equation exact? Is gravity perfectly geometrical?

●

Implication: gravity is a property of spacetime, not matter(Einstein identified the relevant property of spacetime as its curvature)

●

Holds regardless of the mass or composition of the test body(not true for any other forces, e.g. magnetism)

James

Overduin

Testing equivalence●

Test by dropping different kinds of test materials in same gravitational field

●

400 years of testing have established that

Galileo (1610)

Roll, Krotkov & Dicke (1964)

Eöt-Wash (Adelberger et al., 1990)LLR (Williams et al., 1996)

10-18

STEP

●

STEP will improve this by 5 orders of magnitude to

Simon Stevin(1586)

Newton(1686)

Bessel(1832)

Eötvös(1922)

Rememberthis range

James

Overduin

Tests des Äquivalenzprinzips

•

Generell werden 3 Massen benötigt: –

Eine Masse liefert die Quelle der Gravitation–

2 Test-Massen werden angezogen•

Die Messung besteht darin, die differentielle Beschleunigung zwischen den beiden Testmassen zu beobachten

•

Die Testmassen sind nicht immer große Massen, können auch mikroskopische Körper (Atome, Neutronen, etc.) sein

•

Bislang haben alle Messungen die Äquivalenz bestätigt•

Die sensitivsten Langzeit-Messungen haben die Sonne als Gravitationsquelle benutzt und Erde und Mond als Testmassen

•

Lunar

Laser Ranging (LLR) nutzt eine präzise Beobachtung der Bahndynamik des Mondes relativ zur Erde

•

Die sensitivsten Kurzzeit-Labor-Messungen stellen Torsionsexperimente da mit 3 Tonnen Uran Quellenmasse und Kupfer und Blei Test-Massen

•

Bislang finden die Labor-Torsions-Experimente bei Zimmertemperatur statt•

Weitere Experimente:–

Bremer Fallturm –

relative Distanzmessungen zwischen den Testteilchen–

GReAT: Freier Fall aus einem Ballon–

POEM: Freier Fall aus Ballon, Laser Interferometrie•

Weltraum-Experimente stellen den nächsten, notwendigen Schritt dar für eine höhere Genauigkeit der Ergebnisse

Äquivalenzprinzip testen

Planck: Suche nach Verletzungendes Prinzips anhandvon Neutrinos im MikrowellenhintergrundSEE: Dunkle EnergieGG und STEP

am ambitioniertesten

•

In Europa einzigartiger Fallturm in Bremen, bietet die Möglichkeit zu erdgebundenen Experimenten unter kurzzeitiger Schwerelosigkeit

•

123 m (gesamter Turm 146 m) hohe, evakuierte Fallröhre, freier Fall kann durch Verwendung eines Katapults auf fast 10 Sekunden verlängert werden. Kapsel fällt in einen Auffangbehälter, der mit stecknadelkopfgroßen Schaumpolystryrolkugeln

gefüllt ist.

•

Eigentlicher Fallraum ist freistehende Stahlröhre, wird für die Fallexperimente evakuiert (1.5 Stunden), dauert 1.5 Stunden.

•

Enddruck beträgt 10 Pa, 1/10000 des normalen Atmosphärendrucks

•

Druckunterschied von 3bar zwischen dem Vakuum der Fallröhre und den Vorratsbehältern (Druckluft) beschleunigt den Katapulttisch während einer viertel Sekunde im Mittel mit dem zwanzigfachen der Erdbeschleunigung auf eine Endgeschwindigkeit von 175 km/h

51

Droptower

Bremen

• 4.7 to 9 seconds

free

fall

• 110 meters

falling

height

• 3 drops

per day

•Payload area:  173 cm height,  60 cm diameter

•

Maximum weight:  500 kg, thereof 234 kg for 

payload 

Die Konstanz der Naturkonstanten

Neue (Äquivalenztest) Weltraum-Missionen

Das Weltraumprojekt "Microscope" wird die Äquivalenz von träger und schwerer Masse in bisher nicht erreichbarer Genauigkeit überprüfen. Dafür wird ein Mikrosatellit der französischen Weltraumagentur CNES die aus der PTB stammenden Testmassen für die Beschleunigungs-Experimente in die Erdumlaufbahn bringen. Die 8 cm langen Testmassen (kleines Bild) bestehen aus konzentrisch ineinander steckenden Metallzylindern. (Fotos: CNES/PTB)

Test des schwachen EP –

fallen gleich schnellunabhängig vom Material

●

Äquivalenz von schwerer und träger Masse testen

●

Mikrosatellit, 8cm lange Testmassen bestehend aus konzentrisch ineinander steckenden Metallzylindern

●

Testmassen schweben im Gleichgewicht zwischen der Anziehungskraft der Erde (die auf die schwere Masse der Zylinder wirkt) und der Zentrifugalkraft (die auf die träge Masse wirkt).. Wird der Satellit gezielt beschleunigt, wird das Kräftegleichgewicht aufgehoben

●

Aussagekraft der Beschleunigungsexperimente hängt von der Qualität der eingesetzten Testmassen ab. Nur wenn Form, Dichte und thermische Ausdehnung der Zylinder sehr genau bekannt sind, können die möglicherweise sehr kleinen Differenzen zwischen träger und schwerer Masse überhaupt beobachtet werden

The Science Case for STEPThe Science Case for STEP(Satellite Test of the Equivalence Principle)(Satellite Test of the Equivalence Principle)

James

Overduin

STEP

•

STEP wird bereits seit 1972 geplant•

Gekühltes Experiment mit 4 Testmassen-Zylindern, 2K

•

Wird sich im niedrigen Erdorbit bewegen (Niveau der mikroseismischen Aktivitäten ist signifikant reduziert, Faktor 1000; etc.)

•

5-6 Größenordnungen über der jetzigen Empfindlichkeit (10-18)•

Supersymmetrie-Theorien und die String-Theorie sagen voraus, daß

es

zusätzlich zur Gravitation sehr schwache, weitreichende Felder (‚moduli‘) geben sollte die zur Verletzung des Äquivalenzprinzips führen

•

Laut Theoretischer Studien von Damour

und Polyakov

liegen diese Verletzungen im Bereich von 10-13

bis 10-21

•

Neue Wechselwirkungen würden an eine „Ladung“

koppeln, die eine Linearkombination aus der Protonenzahl und der Neutronenzahl ist

•

Mission wird 6 Monate dauern (2800 Orbits)•

10-18

würde nur 20 Orbits benötigen, so können Experimente wiederholt werden mit einer systematischen Variation der experimentellen Parameter

Zylindrische Testmassen,Bewegung wird über Magnetometer festgestelltMassen können über angelegteSpannungen positioniert werden

Ein Element-Paar dubliziertTestmassen sind mit dünnem Filmeines superleitenden

Materials

umhülltEingebracht in Quartz-Block

innerhalb

des Helium-Behälters

STEP

•

-

Störungen die ein EP-Signal imitieren könnten, sollten ausgeschaltet sein•

Die Stabilität und die geringen Verluste im Superleiter sollten Sensoren-

Rauschen reduzieren•

Geringe Temperatur (~2K), die Temperatur Stabilität (<0.5 mK pro Orbit) reduzieren die meisten thermischen Störungen

•

Die Formen der Testmassen minimieren Gravitationskräfte durch den Satelliten•

Testmassen werden zentriert innerhalb von 10-10m um den Effekt des irdischen Gravitations-Gradienten zu reduzieren

•

Ladungs-Kontroll-System limitiert Störungen durch Aufladen aufgrund von Teilchen-Strahlung

•

Sonnen-synchroner Orbit minimiert thermische Aufladung des Satelliten•

Satellit rotiert, Rotations-Frequenz wird geändert zwischen den Messungen um das Signal von Frequenz-Störungen fernzuhalten

•

etc.

STEP concept

●

Essentially an orbiting version of Galileo's “drop-tower” experiment

●

More time for separation to build, and signal is periodic

●

Inherits key technologies from Gravity Probe B: drag-free control,cryogenic SQUID readout, electrostatic positioning system, others

●

Larger driving acceleration and quieter “seismic” environment allowfor improvement of 5-6 orders of magnitude over terrestrial tests

James

Overduin

Discovery potential

Human progress

Science & technology

Physics

(Theorist's view -not to scale)

covarianceGeneral Equivalence

principle

STEP

●

STEP tests the foundation---not a prediction---of Einstein's theory ofgeneral relativity, which holds up half of present-day physics:

Fermilab,CERN,LHC, etc.

Standard model

GPB, LIGO, LISA, etc.

General relativity

James

Overduin

Crisis and unification in physics●

Einstein's geometrical theory of gravity based on the Equivalence Principlecannot be unified with the rest of physics (the “standard model”)!

Electromagnetism(Maxwell's theory)

Everything else(Newtonianmechanics)

●

Physics in crisis, circa 1900:●

Physics in crisis today:

Gravity(Einstein'stheory)

Everything else(Standard model of

particle physics)

Equivalenceprinciple

Constancy of thespeed of light

Michelson-Morley experimentCrucialexperiment:

STEP

Special relativity

Resultingunifiedtheory:Theory of everything?

James

Overduin

What to drop?

●

heavy vs. light elements?●

baryons vs. leptons?●

different particle generations?●

matter vs. antimatter?●

fermions vs. bosons?●

matter vs. dark matter?

●

in a first experiment, span widestpossible region in parameter space(e.g. Blaser, Damour, others):

nucl

ear e

lect

rost

atic

ene

rgy

total baryon charge neutron/proton difference

currentSTEP

baseline

James

Overduin

What might STEP find?

●

SPECIFIC THEORIES: those making quantitative predictions(e.g. Damour et al. runaway dilaton, Dimopoulos et al. “little strings”,Dvali et al. variable-α)

all predict values of in this range

where and:STEPtarget

cf.

●

DIMENSIONAL ARGUMENT: any attempt to combine gravity withquantum field theory generically predicts new effects above some characteristic energy scale E (Adler 2006):

predicted = standard

James

Overduin

A win-win experiment

●

Unification generically requires the existence of new fields

if these couple to matter if they don't

EP violation no EP violation

new force of naturediscovered

●

We receive critical experimental guidance,whether EP violations are detected or not

path to unification

but absence of coupling

or some other explanationrequires new protective symmetry

James

Overduin

Complementarity

Fundamental physics triangle:Particlephysics

Cosmo-logy

GravityScalar fields (dilatons,

moduli, ...)

Dark energy(quintessence,variable α, ...)

EP violations

LHC SNAP

STEP:●

LHC

may find indirect evidence for new fields (missing-energy signature)

●

SNAP

may find direct evidence for new fields (dynamical dark energy)●

only STEP

can tell us how these fields interact with everything elseJames

Overduin

Summary

●

STEP tests foundations (not predictions)of our current theory of gravity

●

Points the way toward unification ofgeneral relativity and the standard modelof particle physics, regardless of what it finds

●

Predictions for violations of the Equivalence Principle fall within STEP'sgrasp – and probably only STEP's grasp – whether based on dimensionalarguments, specific theories, or generic calculations involving scalar fields (as hinted at by unified-field theories and cosmology)

●

STEP is complementary to high-energy particle physics experiments(LHC, ILC) and cosmological probes (SNAP, JDEM)

James

Overduin

Die Konstanz der Naturkonstanten

Weitere geplante Weltraum-Missionen zumTest Fundamentaler Physik

Fundamental PhysicsDirect search for deviation of the one-way speed of the light

An experiment

dedicated

to the

measurement

of the

speed

of radio

signal

between

spacecraft

and Earth.

Kant Mission

Theoretical

proposal

dedicated

to investigations

on the space and time relation.

Astrodynamical Space Test of Relativity using Optical Devices (ASTROD)

Mission dedicated

to the

verification of Einstein's general relativity theory, via deep

space

laser

ranging experiments

and atomic

clock

measurements.

Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR)

Experiment dedicated

to test the

nature of gravitation and the general reality theory via interplanetary

laser

ranging experiments.

Solar System ODYSSEY

Mission dedicated

to the

verification of the laws of gravity at the largest possible distances. The

mission

would

entail

a probe reaching

heliospheric

distances

larger than

10 AU and performing

radio-tracking

and laser

ranging experiments.

GAUGE (GrAnd Unification and Gravity Explorer)

Drag-free

spacecraft

platform

hosting

a number

of experiments

dedicated

to the

investigation

of the

gravitation laws and their link to other forces of nature.

Drag-free

spacecraft

platform

hosting

a number

of experiments

dedicated

to the

investigation

of the

gravitation

laws

and their

link to other

forces

of nature.

EGE (Einstein Gravity Explorer)

Space

mission

devoted

to a precise measurement of the properties of space-time using

atomic

clocks

(e.g. modification

of time in presence

of gravity).

MWEG (Matter Wave Explorer of Gravity)

Space

mission

dedicated

to the

test of the equivalence principle via atom

based

interferometry.

S-EUSO (Space Observatory for the study of the Universe at Ultra High Energies)

A space

based

observatory

dedicated

to the

study

of ultra-high

energy

cosmic

particles

interacting

with

the

earth

atmosphere.

SAGAS (Search for Anomalous Gravitation using Atomic Sensors)

SAGAS is

a mission

dedicated

to the

study

of all aspects

of large scale gravitational phenomena in the

solar system, based

on an interplanetary

travel

to large heliospheric

distances.

Fundamental Physics Platform - Critical Phenomena in Space

Space

mission

dedicated

to investigations

of critical

physical

phenomena

occurring

in microgravity conditions.

GALILEO GALILEI (GG) - A small satellite to test the equivalence principle of Galileo, Newton & Einstein.

Programm SoSe

09

03.04. Überblick über die Themen des Semesters

17.04. Die Konstanz der Naturkonstanten

08.05. Einstein & das Äquivalenzprinzip

22.05. Äquivalenzprinzip & Schleifen-Quantengravitation

05.06. Zeit & Zeitreisen

19.06. Gibt es Extraterrestrisches Leben?

03.07.

User: heidelberg

Passwd: so2009