Gibt es Extradimensionen?

Eigentlich wollte ich nur etwas über Extradimensionen schreiben...

Aber die Recherche wurde zu einer Reise in die Vergangenheit...

 Wir kennen drei Dimensionen des Raumes und als vierte Dimension die Zeit. Gibt es noch mehr?

In der theoretischen Beschreibung unserer Welt arbeitet man mit bis zu 11 Dimensionen. Auswirkungen hat aber noch niemand beobachtet.

Sind die Extradimensionen so in kleine Bereiche aufgewickelt, dass wir sie noch nicht messen konnten? Dringt Gravitation in sie ein und verlässt unseren Raum? Ist deshalb die Schwerkraft so klein?

Gibt es Quanteneffekte der Gravitation? 

Um das alles herauszufinden, muss man das Gravitationsgesetz für kleinste Abstände (und somit auch kleinste Massen) überprüfen.

Die Geschichte beginnt vor fast 20 Jahren...

Jonas Schmöle hat als Schüler im PhysikClub  2004 an Quanteneigenschaften des Lichtes geforscht und ist  zusammen mit seinem Team 2006 Bundessieger bei Jugend forscht geworden.

In seiner Dissertation hat er prinzipiell die Machbarkeit von Messungen gezeigt, bei denen Schwerkrafteffekte bestimmt werden, die von Massen im Milligramm-Bereich ausgelöst werden.

Dafür erhielt er 2018 den Hans-Thirring-Preis der Universität Wien.

Inzwischen ist er Data Scientist und Data Engineer.

Seine Begeisterung für Quantenmechanik hat er mehrmals bei Vorträgen im SFN oder auf unseren Workshops im Harz an Jugendliche weitergegeben.

Sein Doktorvater Prof. Aspelmeyer hat nun ein Experiment dieser Art real werden lassen.

Er hat eine Gravitationswaage so gebaut, wie es Cavandish 1797 bei der erstmaligen Bestimmung der Gravitationskonstante gemacht hat.

An einer Faser aus Siliziumdioxid hängt ein kleiner Titanbalken. An seinem Ende befindet sich eine 91 mg leichte Goldkugel. Bringt man nun periodisch eine zweite, 92 mg schwere, Goldkugel bis auf 1..2 mm heran, so beginnt der Balken durch die Gravitationskräfte der beiden Kugeln zu schwingen.

Diese Schwingungen wurden über einen am Faden hängenden Spiegel auf einen Laserstrahl übertragen und in großen Abständen verstärkt vermessen.

Universität Wien, Nature

 

Die Bewegungen liegen im Bereich Nanometer, die Kräfte unter  einem Billionstel Newton.

Nur durch perfekte Abschirmungen lassen sich so kleine Kräfte messen. Die besten Messungen wurden nachts während der Weihnachtsfeiertage gemacht. Eine in 70 m vorbeifahrende Straßenbahn hat etwa den gleichen Effekt wie die Anziehung der beiden Goldkugeln.

Das ist so, als hätte man die Krümmung der Raum-Zeit durch einen Marienkäfer gemessen.

Übrigens: Eine solche Erfahrung hat auch Jochan Brede bei seiner Forschung im SFN gemacht. Er hat gezeigt, dass man durch Flackern von Laserlicht Unebenheiten vermessen kann, die 50- mal kleiner als die Wellenlänge seines Lasers sind. Auch er hat die Feiertage für Messungen genutzt....Jochan nimmt übrigens in diesem Jahr am Bundeswettbewerb teil.

Die Arbeit von Jonas war eine der ersten, die ich betreut habe, die von Jochan wird eine der letzten sein.

So schließt sich vielleicht der Kreis...

Mit einem Messwert für die Gravitationskonstante von 6,04*10^(-11) N*m²/kg² kommen die Wiener Forschenden dicht an den bekannten Wert heran.. Das ist 9,4% weniger als die Gravitationskonstante, die man mit großen Massen bestimmt.

Daraus kann man noch nichts folgern, da auch die Messgenauigkeit in dieser Größenordnung liegt.

Aspelmeyer plant nun Gravitationsmessungen mit Massen von etwa 90 Mikrogramm. Und als Ziel hat er vor, die Wirkung der Gravitation von atomaren Objekten zu bestimmen und dann die eingangs gestellten Fragen zu beantworten.

Jonas Schmöle hat gezeigt, dass das geht!

Was eine Betreuung im PhysikClub vor fast 20 Jahren alles auslösen kann....

Vor dem Landeswettbewerb haben wir damals  fast die ganze Nacht telefoniert (ja, mehr Möglichkeiten gab es damals nicht...). Um dann doch noch etwas Schlaf zu finden, habe ich dann eine Schlaftablette genommen, aber erst noch weiter mit ihm diskutiert.

Dann ist ein nachhaltiges Zitat entstanden...das ich jetzt aber hier nicht wiedergebe....uns beiden sicher immer in Erinnerung bleibt....