Hartmut Abele

Sommersemester 2006

Gravitation

Hartmut Abele 2

Präsentationsfolien, 25. April 2006Präsentationsfolien, 25. April 2006

Hartmut Abele 3

Quests in Fundamental PhysicsQuests in Fundamental Physics

Weakinteraction

Electro-magnetism

Stronginteraction

Gravity

Lämmerzahl, Graduiertentage Heidelberg 2003

Hartmut Abele 4

Knowledge of a basic law of physics Knowledge of a basic law of physics Two Theories:

– Theory of Gravitation: General Relativity

– Quantum Theory: Standard Model

Derived from simple symmetry principles

NeutronNano-eV

High energy particle PhysicsTera-eV

Hartmut Abele 5

= 1/137

100 GeV, LEP-energy at CERN

= 1/128

Hartmut Abele 6

GUTMPL

MnPL

quantum gravity

= 1/137

100 GeV, LEP-energy at CERN

= 1/128

Hartmut Abele 7

ART im Alltag: Global Positioning System ART im Alltag: Global Positioning System (GPS)(GPS)

10.229999995453 MHz instead of 10.23 MHz10.229999995453 MHz instead of 10.23 MHz

Hartmut Abele 8

2 Säulen:2 Säulen:

QuantentheorieQuantentheorie RelativitätstheoriRelativitätstheoriee

Hartmut Abele 9

Hartmut Abele 10

Kuiper beltKuiper belt

Hartmut Abele 11

Gravitation im GroßenGravitation im Großen

Hartmut Abele 12

Gravitation bei großen AbständenGravitation bei großen Abständen

Hartmut Abele 13

... sehr große Abstände... sehr große Abstände

Hartmut Abele 14

Vom AristotelesschenVom AristotelesschenZentrum der Welt Zentrum der Welt bis zum Big Bangbis zum Big Bang

Hartmut Abele 15

Gravitation im Kleinen:Gravitation im Kleinen:Gravitation und QuantenmechanikGravitation und Quantenmechanik

Phasenverschiebung in Neutronen, Atomen Gebundene Quantenzustände im Gravitationsfeld

der Erde QCD String Theorien

Hartmut Abele 16

Rauch et al.Rauch et al.

Hartmut Abele 17

COW-Experimente

1975 erstmalige Beobachtung einer Gravitations-Induzierten Phasenverschiebung bei Materiewellen von Colella, Overahauser und Werner

Verwendet wurde ein Neutroneninterferometer, das aus einem Einkristall gefräst wurde

Hartmut Abele 18

COW-Experimente

Schematischer Versuchsaufbau

Abhängigkeit der relativen Phase vom Rotationswinkel:

= Rotationswinkel

= Richtung einfallender Strahl

und Rotationsachse

= Braggwinkel

= Neutronendetektoren

AB

iC

sin COWq

Hartmut Abele 19

COW-Experimente

gleiche Phasenverschiebung auf den Pfaden AC und BD

Ist kommt es zu einer relativen Phasendifferenz auf den Pfaden AB und

CD

0

)(22

2220

2

0 mgHm

k

m

kE

)sin()( SH sin0

2

2

0k

Sgmkkk

ABk 2

0 k sin2 022 Agmh

S

Hartmut Abele 20

COW-Experimente

Ergebnis des ersten Experiments von 1975

Integrationszeit pro Meßpunkt: 80 Minuten

32 II

Hartmut Abele 21

Grundlegende Fragen?Grundlegende Fragen?

mehr als 1000x zitiert in den letzten 5 Jahren, geordnet nach Häufigkeit:

– Particle Data Booklet (unzählig viele Zitate), Teilchenphysik

– WMAP, 3K Hintergrunstrahlung (3175), Kosmologie

– Massenhirarchie und Extradimensionen (2749)

– superconformal field theories and supergravity (3829)

– Measurements of omega and lambda from 42 high redshift supernovae (2635)

– The Hierarchy problem and new dimensions at a millimeter (2715)

– New dimensions at a millimeter to a Fermi and superstrings at a TeV (2049)

– First results from KamLAND: Evidence for reactor anti-neutrino disappearance (1060)

Hartmut Abele 22

Grundidee: Gravity and Space TimeGrundidee: Gravity and Space Time

SM, Electromagnetism Gravity String Theory

and Extra Dimensions

)1()( /21 rermm

GrV

)1()( /21 rermm

GrV

Hartmut Abele 23

Newton:Brief an Bentley, 25.2.1692Newton:Brief an Bentley, 25.2.1692

Hartmut Abele 24

Graduiertentage 2003 (Lämmerzahl): Graduiertentage 2003 (Lämmerzahl): Reasons for new interestReasons for new interest

New experimental devices– Ultrastable cavities

– Lasers

– Frequency comb

– SQUIDs

– Space experiments (GP-B, MICROSCOPE, ACES, SUMO, PARCS, RACE, STEP, OPTIS)

– New space related techniques (drag free, grav. sensors)

Violations predicted by quantum gravity– Modification of Maxwell equations

– Modification of Dirac equation

– Yukawa modification of Newton potental

Hartmut Abele 25

ÜberblickÜberblick

Gravitationstheorien– Aristoteles, Galilei, Kepler: Rotationskurven Galaxien: Dark Matter I

– Newton: G - Bestimmung

Newton– Test 1/r im Sonnensystem 1:1012 Pioneer-Anomalie

– r kleiner 1 mm

Einstein: ART– Klassische Tests: Merkur, Lichtablenkung etc.

– Kosmologie, Kosmologische Konstante, zeitabh. der Kopplungskonstanten

– Gravitationslinsen

– Aequivalenzprinzip

Hartmut Abele 26

ÜberblickÜberblick Schwache Gravitationsfelder

– Non-Newton bei kleinen Abständen– Große Extradimensionen und die Frage nach der

Dimensionalität der Raumzeit– Quantenzustände im Gravitationsfeld der Erde– Suche nach Gravitomagnetismus, Lense-Thirring-

Effekt

Starke Gravitationsfelder– Pulsare, Doppelpulsare– Gravitationswellen – Schwarzes Loch– Hawking-Strahlung

Quantentests der ART

Hartmut Abele 27

Wiederholung zum 2. Mai 2006Wiederholung zum 2. Mai 2006 Krümmung im

Riemannschen Raum s. Gravitation, U.E.

Schröder, s. 30

2

2 2 211 12 222

ds g dx dx

ds g dx g dxdy g dy

Hartmut Abele 28

KugelKugel

Hartmut Abele 29

Gauss-KruemmungGauss-Kruemmung

Hartmut Abele 30

Zwei geodätische Oberflächen durch den Zwei geodätische Oberflächen durch den selben Punktselben Punkt

Hartmut Abele 31

Hartmut Abele 32

John Wheeler, Gravitation und Raumzeit, John Wheeler, Gravitation und Raumzeit, S.69S.69

Ein Bumerangflug durch die Erde

Hartmut Abele 33

Krümmung, die Sprache

der Gravitation

Hartmut Abele 34