Relativitätstheorie im Test

Einstein hat recht, sogar millimetergenau

Von Manfred Lindinger
28.02.2022
, 17:01
Blick auf die Vakuumkammer, in der kalte Strontiumatome  schweben, die von sich kreuzenden Laserstrahlen festgehalten werden. Die Frequenz des ausgesandten Fluoreszenzlicht nutzen die Forscher zum Test der gravitativen Zeitdilatation auf der Millimeterskala.
Die Schwerkraft hat Einfluss auf den Verlauf der Zeit. Dieser relativistische Effekt konnte erstmals mal auf Millimeterskalen nachgewiesen werden.
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Die Zeit vergeht nicht immer und überall gleich schnell. Das ist eine der merkwürdigen Konsequenzen der Relativitätstheorie. So ticken nicht nur bewegte Uhren langsamer als ruhende. Auch die Schwerkraft hat Einfluss auf den Verlauf der Zeit: In unmittelbarer Nähe eines massereichen Körpers gehen Uhren langsamer als in einem gewissen Abstand. Physiker konnten diese Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie in den vergangenen Jahrzehnten mehrfach experimentell bestätigen, indem sie Präzisionsuhren mit Flugzeugen oder Raketen auf große Geschwindigkeiten oder Höhen brachten oder ihre Experimente auf Berge oder Türme verlegten. Nun haben Forscher vom National Institute of Standards and Technology in Boulder (Colorado) den Effekt der gravitativen Zeitdehnung oder Zeitdilatation dem bislang präzisesten Test unterzogen. Sie haben den Gangunterschied zweier horizontal angeordneter Uhren auf der Millimeterskala verglichen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie, die Albert Einstein im Jahr 1915 veröffentlichte, beschreibt die Gravitation als Folge einer Krümmung des Raumes und der Zeit. Massereiche Objekte würden danach das vierdimensionale Raum-Zeit-Gefüge verformen – ähnlich wie eine schwere Kugel eine Gummimembran deformiert. Die Konsequenz: Nicht nur die Bahnen aller Körper und auch die von Lichtstrahlen sind der Krümmung der Raumzeit unterworfen, auch die Zeit selbst unterliegt der Gravitationskraft. Diese relativistischen Effekte müssen bei der präzisen Ortsbestimmungen mittels Satellitennavigation berücksichtigt werden.

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Optische Uhren schlagen den Sekundentakt

Will man winzige Zeitdifferenzen messen, werden möglichst genaue Chronometer benötigt. Doch für den Nachweis der Zeitdilatation in Schwerefeldern ticken selbst die besten Schweizer Uhren nicht präzise genug. Möglich wurden solche Experimente erst mit der Entwicklung von Atomuhren in den Sechzigerjahren, denen die Mikrowellenschwingungen eines Cäsiumatoms den Takt vorgeben. Im Jahr 1976 wurde eine Atomuhr an Bord einer Rakete (Gravity-Probe-A-Experiment) auf eine Flughöhe von rund 10.000 Kilometern geschossen. Der Gangunterschied im Vergleich zu einer baugleichen Atomuhr auf der Erde betrug eine Sekunde in 73 Jahren.

Gravity Probe A ermittelte 1976 den Effekt der Zeitdehnung auf aufgrund der Schwerkraft in 10.000 Kilometer Höhe.
Gravity Probe A ermittelte 1976 den Effekt der Zeitdehnung auf aufgrund der Schwerkraft in 10.000 Kilometer Höhe. Bild: https://einstein.stanford.edu

Auch Zeitmessungen in deutlich geringeren Höhen bestätigten Einsteins Vorhersagen. Vor zwei Jahren unterzogen japanische Forscher die gravitative Zeitdilatation dem bislang präzisesten Test auf dem Tokioter Fernsehturm „Skytree“ in 450 Meter Höhe. Die Atomuhr lief im Schnitt pro Tag um vier Nanosekunden schneller als eine baugleiche Atomuhr am Boden. Aber wie verhält es sich bei noch kleineren Höhenunterschieden – im Bereich von Zentimetern oder Millimetern?

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Um hier einen Effekt der Zeitdilatation und eine mögliche Abweichung messen zu können, bedarf es Uhren extremer Genauigkeit – die der Cäsiumuhren reicht nicht mehr. Man greift deshalb zu optischen Atomuhren, in denen Licht mit einer vielfach höheren Frequenz schwingt, was sich auf die Ganggenauigkeit auswirkt. Tatsächlich würde ein optisches Chronometer innerhalb von Milliarden Jahren nur eine Sekunde falsch gehen. Zum Vergleich: Eine Cäsiumuhr tickt „nur“ etwa 30 Millionen Jahre lang eine Sekunde genau.

Relativitätstheorie trifft Quantenphysik

Die Forscher in Boulder verwendeten für ihre Messungen die derzeit beste optische Atomuhr. Sie geht noch einmal um einen Faktor fünfzig genauer als eine Cäsiumuhr. Rund hunderttausend tiefgekühlte Strontiumatome werden hier mit sich kreuzenden Laserstrahlen in einer optischen Gitterstruktur in der Schwebe gehalten und mit einem extrem stabilen roten Laserstrahl angeregt. Schwingen die Atome und das externe Laserfeld im Takt, wird die Frequenz des von den Atomen ausgesandten Lichts und damit die Taktrate der Strontium-Atomuhr gemessen. Da man viele tausend synchron schlagende Taktgeber vorliegen hat, erreicht man eine deutlich größere Messgenauigkeit, als wenn man mit einem einzelnen Ion arbeiten würde.

Optische Atomuhr: Strontiumatome sind in einem Lichtgitter gefgangen
Optische Atomuhr: Strontiumatome sind in einem Lichtgitter gefgangen Bild: NIST

Die Forscher um Jun Ye haben einen Teil der in dem Lichtgitter gefangenen Atome um einen Millimeter angehoben und dadurch gewissermaßen eine zweite Strontium-Atomuhr geschaffen. Die Forscher konnten nachweisen, dass die etwas höher liegenden Atome den Zeittakt tatsächlich etwas schneller schlugen als die unteren. Der Frequenzunterschied machte sich in der neunzehnten Nachkommastelle bemerkbar, wie Jun Ye und seine Kollegen in „Nature“ schreiben.

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Dieser kleine Effekt hat für die Alltagswelt keinerlei Auswirkung. Mögliche Anwendungen sehen die Forscher aber in der Geodäsie. Die präzisen Chronometer könnten dazu genutzt werden, genaue Höhenprofile von Bergen zu erstellen oder die Tiefe der Ozeane präzise auszuloten. Auch für die Erdbebenvorhersage ließen sich die genauen Strontium-Atomuhren einsetzen.

Mit ihren Messungen sind die Forscher um Ye auch einer Vision ein gutes Stück näher gekommen: So wäre es möglich, mit einer bislang nicht gekannten Präzision die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie sowie der Quantenphysik gleichzeitig zu testen. So könnte man überprüfen, wie die quantenmechanischen Materiewellen der Atome sich in einem gekrümmten Raum verhielten. Dazu müssten die Wissenschaftler den Einfluss der Schwerkraft auf die Zeit nochmals um einen Faktor zehn genauer bestimmen.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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