“Tickende” Atome bestätigen Einstein

Die bislang klarste Bestätigung für Albert Einsteins Relativitätstheorie hat ein deutsch-amerikanisches Physikertrio entdeckt. Bei der erneuten Auswertung eines vor zehn Jahren durchgeführten Experiments fanden die Forscher, dass die Schwerkraft atomare “Uhren” um genau jenen Faktor langsamer gehen lässt, wie er sich aus Einsteins Vorstellungen von einer verbogenen Raumzeit ergibt.

Foto: Library of Congress, Prints & Photographs Division [LC-DIG-ggbain-32096]

Die Präzision ihres Resultats schätzen Holger Müller von der Universität Berkeley und seine Kollegen auf 1 zu 1 Milliarde. Dies sei zehntausend Mal besser als die Ergebnisse früherer Experimente, bei denen sehr präzise Taktgeber mit Verkehrsflugzeugen und Raketen in große Höhen gebracht worden waren, schreiben die Forscher im Magazin “Nature”.

“Dieses Experiment demonstriert ein fundamentales Konzept der Allgemeinen Relativitätstheorie, nämlich, dass die Schwerkraft den Lauf der Zeit verändert”, erklärt Müller. Im Versuch der Forscher äußerte sich diese Beeinflussung darin, dass die Materiewellen von Cäsiumatomen etwas schneller oszillierten, wenn die Atome im Schwerefeld der Erde einen zehntel Millimeter Höhe gewannen.

Müller und seine Kollegen Achim Peters von der Humboldt-Universität Berlin und Steven Chu, mittlerweile US-Energieminister, analysierten Daten eines Experiments, das Peters im Jahr 1999 in Chus Labor in Berkeley durchgeführt hatte. Dabei wurden Cäsiumatome in einer Vakuumkammer in die Höhe katapultiert und mit Laserpulsen beschossen, um ihre Flugbahn zu manipulieren.

Ein erster Laserpuls war so eingestellt, dass er den Atomen mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent zusätzlichen Impuls verlieh und sie etwas höher steigen ließ. Durch einen zweiten Laserpuls wurden alle Atome wieder auf eine gemeinsame Bahn gebracht. Nach quantenmechanischem Verständnis befand sich jedes Atom in einer Überlagerung zweier Zustände – entsprechend der unterschiedlichen Parabelbahnen, auf denen die Zeit unterschiedlich schnell verstrich. Beendet wurde dieser “Schwebezustand” durch einen dritten Laserpuls, der die entsprechenden Materiewellen zur Interferenz brachte. Aus der Wahrscheinlichkeit, mit der nun ein Atom nachgewiesen wurde, konnten die Forscher auf die Phasenverschiebung der Materiewellen und damit auf die Zeitstauchung auf dem höher liegenden Weg schließen: lediglich 0,02 Trillionstel (Milliardstel Milliardstel) Sekunden.

Präzise Messungen solcher Effekte und deren Übereinstimmung mit der Theorie seien durchaus von praktischer Bedeutung, betont Müller. Das gelte etwa für die globale Positionsbestimmung mithilfe von Satellitensignalen mit einem Zeitstempel. “Wenn wir diese Satelliten mit unseren besten, bis auf die 17. Stelle genau gehenden Uhren bestücken würden, könnten wir die Position auf den Millimeter genau bestimmen”, so der Forscher. “Ein zusätzlicher Meter Höhe verändert dagegen schon die 16. Stelle. Wenn wir also immer bessere Uhren einsetzen, müssen wir auch den Einfluss der Schwerkraft immer besser kennen.”

Forschung: Holger Müller und Steven Chu, Department of Physics, University of California, Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory und US Department of Energy, Washington, D.C.; Achim Peters, Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin

Veröffentlichung Nature, Vol. 463, 18. Februar 2010, pp 926-9, DOI 10.1038/nature08776

WWW:
Müller Group, UC Berkeley
AG Optische Metrologie, Humboldt-Universität
Allgemeine Relativitätstheorie
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Time Dilation

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