Nicht-Newtonsche Bewegung des Mondes

Die Bewegung des Mondes, wie sie von den Lunar Laser Ranging-Daten gemessen wird, ist nicht so, wie von Newton vorhergesagt. Wie der befragte Wissenschaftler sagt, entsprach Newtons Modell der Genauigkeit der ihm zur Verfügung stehenden Daten und war gut genug, um den Adler 1969 auf dem Mond zu landen. Die Lunar Laser Ranging-Daten können den Mond jedoch mit einer Genauigkeit von 3 cm positionieren.

Relativistische Effekte bewirken, dass der Mond von der von der Newtonschen Mechanik vorhergesagten Umlaufbahn um etwa 1 m abweicht, hauptsächlich aufgrund spezieller relativistischer Effekte wie der Lorentz-Kontraktion. Die Allgemeine Relativitätstheorie berücksichtigt eine Abweichung von 10 cm. Das ist viel weniger als die Störung durch Jupiter (ca. 1 km). Die allgemeine Relativitätstheorie berücksichtigt jedoch die Bewegung des Mondes vollständig, um die Genauigkeit des Experiments zu gewährleisten.

Alle Tests stimmen mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie überein, die für die numerische Integration von Ephemeriden verwendet wird. Es ist keine Variation der Gravitationskonstante erkennbar. Quelle

Am Apache Point Observatory wird die Lunar - Ranging - Operation durchgeführt .

Am Ende des Auszugs sagt Dr. Peter Shelus, dass die Messungen zeigen, dass die Form der Umlaufbahn des Mondes nicht ganz so ist, wie von "Newtons" Theorien erwartet, was ich so interpretiert habe, dass die Umlaufbahn nicht keplerisch ist, aber möglicherweise meinte er etwas anderes.

Das ist eine schlechte Annahme. Zweifellos meinte er etwas anderes. Sogar Kepler wusste, dass die Umlaufbahn des Mondes um die Erde nicht keplerisch war. Newton versuchte, dieses nicht-keplersche Verhalten mit Störungen durch die Sonne zu erklären. Er hat es geschafft, einige der wichtigsten Mondanomalien zu erklären, aber die Mathematik seiner Zeit war der Herausforderung nicht ganz gewachsen. Die vollständige Newtonsche Erklärung müsste ein paar hundert Jahre warten und in der Arbeit von Ernest William Brown gipfeln.

Um seine (klassische) Mondtheorie zu entwickeln, musste Brown Gravitationsstörungen von einer Reihe verschiedener Objekte berücksichtigen: Die Sonne, Venus, Jupiter (und in geringerem Maße die anderen Planeten) und auch die nicht-sphärische Natur des Mondes Schwerefelder der Erde und des Mondes. Trotzdem musste Brown einen Fudge-Faktor einführen, um eine Schwankung der Winkelposition des Mondes von 10 Bogensekunden zu berücksichtigen. Es stellte sich heraus, dass die Notwendigkeit für diesen Fudge die Übertragung des Drehimpulses von der Erdrotation auf die Erdumlaufbahn war. Dies verlangsamt die Rotationsrate der Erde (was die Zeit basierend auf der Rotation der Erde zu einer weniger als stellaren Idee macht) und lässt den Mond von der Erde zurückweichen. Brown fügte diese Konzepte schließlich seiner Mondtheorie hinzu.

Browns Schüler Wallace J. Eckert erweiterte später Browns Mondtheorie. Eckert war die erste Person, die digitale Computer (im Gegensatz zu menschlichen Computern) auf das Problem der Vorhersage der Mondumlaufbahn anwandte. Er war auch die Person, die die vom Apollo-Programm verwendeten Mond-Ephemeriden entwickelte. Eckerts Arbeit war immer noch klassisch im Gegensatz zu relativistisch.

Die Retroreflektoren, die von den USA und der Sowjetunion in den 1960er und 1970er Jahren auf dem Mond platziert wurden, machten schließlich die Verwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie zur Erklärung der Mondumlaufbahn erforderlich. Die Effekte sind extrem subtil, aber sie sind da. Insbesondere dienen diese Retroreflektoren als einer der höchstpräzisen Tests eines Schlüsselprinzips der Allgemeinen Relativitätstheorie, des starken Äquivalenzprinzips. Das Äquivalenzprinzip tritt in verschiedenen Formen auf:

• Das Galileische (oder Newtonsche) Äquivalenzprinzip, das die Äquivalenz von träger und schwerer Masse und damit die Universalität des freien Falls anspricht.
• Das schwache Äquivalenzprinzip, das besagt, dass die Bewegung von Testkörpern mit vernachlässigbarer Eigengravitation unabhängig von ihren Eigenschaften ist (dies wiederholt im Wesentlichen das Galileische Äquivalenzprinzip in relativistischen Begriffen),
• Das Einsteinsche Äquivalenzprinzip, das besagt, dass ein Ruhezustand im homogenen Gravitationsfeld physikalisch äquivalent zu einem Zustand gleichförmiger Beschleunigung im schwerkraftfreien Raum ist,
• Das starke Äquivalenzprinzip, das besagt, dass die Physik zu jedem Zeitpunkt der Raumzeit lokal durch die spezielle Relativitätstheorie beschrieben wird und nicht durch das Vorhandensein eines Gravitationsfeldes beeinflusst wird.

Die seltsame Zusammensetzung des Mondes bildet bei ausreichend genauen Messungen eine hervorragende Grundlage, um die beiden verschiedenen Formen des Äquivalenzprinzips zu testen. Die andere Seite des Mondes hat eine viel dickere Kruste als seine nahe Seite. Dies ergibt einen Versatz von zwei Kilometern zwischen dem Massenmittelpunkt und dem Mittelpunkt der Figur des Mondes. Die dicke Kruste auf der anderen Seite (hauptsächlich Silizium, Sauerstoff und Aluminium) und der versetzte Kern auf der nahen Seite (hauptsächlich Eisen und Nickel) würden die Umlaufbahn des Mondes subtil beeinflussen, wenn die schwache Form des Äquivalenzprinzips nicht gelten würde. Tatsächlich bietet die Mondumlaufbahn, wie sie durch Mondlaser-Entfernungsexperimente gemessen wird, eine hervorragende Grundlage, um sogar das starke Äquivalenzprinzip zu testen.

Beachten Sie, dass die Newtonsche Mechanik mit allem außer dem Galileischen Äquivalenzprinzip nicht einverstanden ist. Die Newtonsche Mechanik stimmt auch nicht mit der beobachteten Umlaufbahn des Merkur und in geringerem Maße mit der beobachteten Umlaufbahn des Mondes überein. Brauchbare Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie stimmen mit der schwachen Form des Äquivalenzprinzips überein, und die meisten stimmen mit der Einstein-Form des Äquivalenzprinzips überein. Die Allgemeine Relativitätstheorie steht im Einklang mit dem starken Äquivalenzprinzip (ebenso wie eine sehr kleine Anzahl von Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie).