Man bekommt die Atome noch kühler, wenn man sie richtig speichert. Natürlich kann man diese Atome, die kälter sind als alles andere im Universum nicht einfach in irgendeinen Behälter geben – jede Materie wäre dramatisch viel wärmer und ungeeignet zur Speicherung. Die muss durch magnetische Kräfte erfolgen und mit so einer magnetischen Falle kann man die kalten Atome nicht nur speichern, man kann auch diejenigen der Atome, die ein bisschen wärmer sind als die anderen, absondern. Genauso macht man es ja auch mit heißer Suppe oder Tee: man pustet drauf und die Moleküle, die sich am schnellsten bewegen (und damit am heissesten sind) werden weggeblasen. Der Rest der Flüssigkeit hat nun eine niedrigere Durchschnittstemperatur.

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Geschwindigkeitsverteilung von Atomen in Rubidium-Gas. Links ist noch nichts kondensiert. In der Mitte und rechts gibt es einen deutlichen Peak – ein Bose-Einstein-Kondensat (BILD: NIST)

Mit dieser Art der Kühlung kann man das Gas nochmal kälter machen – und schaffte es, eine der seltsameren Vorhersagen von Albert Einstein zu bestätigen. Der sagte 1924 voraus, das bei einem Gas, das kalt und dicht genug ist, eine große Menge an Atomen aufhört sich zu bewegen. Einstein hat hier natürlich noch nicht die Heisenbergsche Unschärferelation bzw. ganz allgemein die Quantenmechanik berücksichtigt – heute wissen wir, dass ein Atom nie wirklich aufhören kann sich zu bewegen aber innerhalb dieser Grenzen bleibt Einsteins Vorhersage korrekt und das was er (gemeinsam mit Satyendranath Bose) vorhergesagt hat, nennt man heute Bose-Einstein-Kondensat. 1995 konnte es mit superkalten Rubidiumatomen erstmals hergestellt werden.

Was macht man noch so alles mit diesen kalten Atomen? Man baut bessere Atomuhren! Und die benutzt man beispielsweise um herauszufinden, ob die Naturkonstanten wirklich konstant sind. Denn wenn man wissen will, ob die sich vielleicht doch im Laufe der Zeit ändern, muss man die Zeit genau genug messen können. Man kann mit solchen kalten Atomen vielleicht bessere Quantencomputer bauen. Man kann damit die existieren Theorien mit einer extrem hohen Genauigkeit prüfen. Mit Atomuhren wurden ja schon 1971 im berühmten Hafele-Keating-Experiment die relativistische Zeit-Dilatation bestätigt. Aber auch die allgemeine Relativitätstheorie zeigt sich in den Atomuhren. Hier wird ja der Einfluss der Gravitationskraft auf die Zeit beschrieben und die Theorie besagt, dass Uhren umso langsamer gehen, je näher sie der Erdoberfläche sind. Mittlerweile sind die Atomuhren genau genug, um auch das messen zu können. Die Stadt Boulder, in der die Atomuhr steht, die den amerikanischen Zeitstandard vorgibt, liegt auf 1655 Meter Höhe. Will man die von ihr angezeigte Zeit mit gleicher Genauigkeit für eine Stadt auf Meereshöhe umrechnen, muss man die Position der Uhr (in der Höhe) auf wenige Zentimeter genau kennen. Und selbst das reicht momentan nicht aus, weil das Gravitationsfeld der umliegende Berge die Korrektur noch komplizierter macht. Wie Phillips erklärte, ist es zur Zeit nicht möglich, die in Boulder gemessene Zeit mit gleicher Genauigkeit irgendwo anders hin zu “exportieren” weil man das lokale Gravitationsfeld noch nicht gut genug vermessen hat um die gravitative Zeitdilatation korrigieren zu können…

Man kann also mit den gekühlten Atomen jede Menge tolle Sachen machen. Aber, wie Phillips anmerkt: Wahrscheinlich sind uns die wichtigsten Anwendungen für die Laserkühlung noch nicht eingefallen!

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Die Atomuhr CS-2 der Physikalisch Technischen Bundesanstalt Braunschweig (Bild: Jörg Behrens, CC-By-SA 3.0)

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Kommentare (22)

  1. #1 H.M.Voynich
    13. April 2010

    “… mit so einer magnetischen Falle kann man die kalten Atome nicht nur speichern, man kann auch diejenigen der Atome, die ein bisschen wärmer sind als die anderen, absondern.”

    Wer das mal selber ausprobieren möchte, hier gibt es Java-Applets zur Magnetfalle:
    http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/bec/mag_trap.html

    … mit der man dann Atome durch Verdampfungskühlung bis zum Bose-Einstein-Kondensat herunterkühlen kann (durch geschicktes “Senken und Heben” der Falle – wer schafft es am schnellsten?):
    http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/bec/evap_cool.html

    Und zur Laserkühlung:
    http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/bec/lascool1.html
    (mehrere Teile, unten auf “weiter” klicken)

  2. #2 Stefan
    14. April 2010

    Danke für den ausführlichen Bericht! Der Vortrag war wirklich toll (ich glaub, ich hab zwei Reihen vor Dir gesessen ;-)…). Schade, dass die Videoübertragung für den Nachbarhörsaal nicht gleich auch aufgezeichnet worden ist.

    Diese Theorie zur Laserkühlung, auf die er nicht weiter eingehen konnte, ist meines Wissens die Lévy-Statistik zur Beschreibung der Verteilung der Rückstossimpulse, im Unterschied zur üblichen Gaussverteilung. Ist insofern nicht nur von akademischem Interesse, als Abweichungen von der Gaussverteilungen und potenzgesetzverteilte “long tails” ja auch bei der Finanzkrise eine Rolle gespielt haben sollen.

  3. #3 Moss
    14. April 2010

    @Florian:
    Sag’ mal, was findet Ihr Physiker eigentlich an der Comic Sans so toll? Ich kriege immer wieder Word-getippte Manuskripte mit Überschriften, Bildbeschriftungen und einmal sogar Tabellen und mathematischen Ausdrücken in dieser Schrift; und oben auf den Bildern sieht man ganze Folien damit!

  4. #4 Bullet
    14. April 2010

    Hui. Ein toller Bericht. Und jetzt warten wir auf die Einsteinwiderleger. *gg*

  5. #5 Redfox
    14. April 2010

    @Moss:
    http://bancomicsans.com/home.html

    (ich find C.S. ok)

  6. #6 H.M.Voynich
    14. April 2010

    @Bullet:
    Einstein lag völlig falsch.
    Gott würfelt.

  7. #7 Carolin Liefke
    14. April 2010

    Jaja. Und ich durfte zur “Konkurrenzveranstaltung” – Dozentenversammlung am ARI. Die übrigens reichlich dünn besetzt war. Warum wohl…

  8. #8 Gerrit
    14. April 2010

    @Moss:
    Das mit “ihr Physiker” will ich aber nicht auf mir sitzen lassen. Ich kenne zwar leider auch Leute, die gerne alles damit dekorieren, aber zum Glück habe ich solche Leute nicht in meinem Freundeskreis 🙂

  9. #9 Bullet
    14. April 2010

    @Voynich:
    War ja klar. *g*

    Okay: da du ja offenbar so genau darüber informiert bist, was Gott so alles tut, kannst mir bestimmt auch verraten, welche Farbe seine Würfel haben.

    (weia… wo endet das denn jetzt schon wieder?)

  10. #10 Florian Freistetter
    14. April 2010

    @Moss: Also ich verwende Comic Sans nicht 😉 (Aber ich bin ja auch kein Physiker)
    Aber auch die Astronomen stellen oft grauenhaften Dinge mit Powerpoint an…

  11. #11 XyloCephalus
    14. April 2010

    @F.Freistetter: Wieso — sind nicht etwa alle Astronomen dasselbe wie Astrophysiker? Dachte ich stets, und irgendwie müssen die sich doch von den AstroLogen unterscheiden? 😉
    Na gut, Anwendung “echter” Mathematik tut es auch schon… :-))

  12. #12 Florian Freistetter
    14. April 2010

    @XyloCephalus: Naja, ein Astrophysiker ist ja nicht unbedingt gleich auch ein Physiker (mir konnte sowieso noch nie jemand erklären was denn genau der Unterschied zwischn Astronomie und Astrophysik sein soll). Ich zum Beispiel bin Astronom. Ich habe Astronomie studiert und meinen Doktor in Astronomie gemacht. Natürlich weiß ich jede Menge über Physik – aber ich habe kein Physikstudium abgeschlossen (in Österreich sind Astronomie und Physik zwei getrennte Studien).

  13. #13 knorke
    14. April 2010

    “Hier wird ja der Einfluss der Gravitationskraft auf die Zeit beschrieben und die Theorie besagt, dass Uhren umso langsamer gehen, je näher sie der Erdoberfläche sind.”
    Florian, stimmt das so? “[…] Je näher an sie der Erdoberfläche […]”? Dann müsste doch auf dem Berg und auf 0m NN die Uhr gleichgehen? Ich bin Laie, aber ich hatte immer aus dem Bauch heraus gedacht, dass es evtl. eher sowas wie ein Schwerpunkt oder sowas sein müsste?! Kannst du das mal auseinanderdröseln – auch als nicht-Physiker?

  14. #14 Bjoern
    14. April 2010

    Einstein hat sich mit einer ganz “simplen” Frage beschäftigt: “Was ist Zeit?” Seine Antwort darauf war ebenso “simpel”: Zeit ist das, was von einer Uhr gemessen wird…

    Bill Phillips fragte nun weiter: Was ist eine Uhr? Seine Antwort: Etwas, dass uns eine Serie von periodischen Ereignissen liefert.

    Und was ist ein periodisches Ereignis? Ein Ereignis, das sich immer nach derselben Zeit wiederholt (oder kennt jemand eine andere Definition?). Und damit sind wir wieder beim “Was ist Zeit?”. Diese Definitionen führen einen also nur im Kreis herum! Ich habe aber leider keinen besseren Alternativvorschlag…

  15. #15 Florian Freistetter
    14. April 2010

    @knorke: “Dann müsste doch auf dem Berg und auf 0m NN die Uhr gleichgehen? “

    Wieso? Zwischen Berg und 0m NN ist doch ein Höhenunterschied. Und damit auch ein Unterschied im Gravitationspotential.

  16. #16 Bjoern
    14. April 2010

    @knorke: Florian meint mit “Erdoberfläche” hier offensichtlich “Meereshöhe” (ist ein wenig unglücklich ausgedrückt…).

  17. #17 knorke
    14. April 2010

    @Florian: Das meine ich ja auch, aber du schrubst “Erdoberfläche” – siehe auch Kommentar von Bjoern eins drunter.
    Wie drückt man des denn nun am besten aus? Das mit dem Gravitationspotenzial bei unterschiedlichem Abstand zu was? Meerespiegel könnte doch auch falsch sein, oder? wenn ich auf der nordhalbkugel nur 20 Meter tiefe meere hättee und auf der südhalbkugel 800m tiefe, dann läge es für mich auf der Hand, dass im norden mehr masse ist und damit die Uhr langsamer läuft – also wahrscheinlich eher der Abstand zum Masseschwerpunkt oder sowas?

  18. #18 Bjoern
    14. April 2010

    @knorke: der Meeresspiegel ist eine sogenannte “Äquipotentialfläche”, das heißt, die potentielle Energie eines Körpers ist auf dem Meeresspiegel überall gleich, egal, wo man auf der Erde sich befindet, und egal, wie tief das Meer ist. (Ist auch logisch: Wasser fliesst bekanntlich immer zum tiefsten Punkt, nimmt also die kleinstmögliche Energie an. Also ist die Wasseroberfläche der Meere überall auf demselben “Energieniveau”.) Und genau die potentielle Energie eines Körpers ist es, die für die gravitative Zeitdilation wesentlich ist.

  19. #19 knorke
    15. April 2010

    @Bjoern:
    Na ich dachte nur, dass wenn ich eine Delle auf einer Seite habe, in der sich mehr Wasser sammelt und auf der anderen Seite unterseeisch ein viel schwereres Gesteingebirge unter Wasser ist, dass dann der Masseunterschied von Gestein und Wasser eine Rolle spielt. Ich glaube, ich lese das nochmal in Ruhe bei Wikipedia nach, irgendwie bin ich jetzt durcheinanderer als vorher.

  20. #20 Jazzpirate
    15. April 2010

    @Bullett
    Naja, da hat der herr Voynich ja ausnahmsweise mal recht, Einstein sagte “Gott würfelt nicht” weil er damit die Quantenmechanik ablehnen wollte, was heutzutage kein gesunder Mensch mehr tun würde – in Einsteins Terminologie verbleibend würfelt Gott also tatsächlich und Einstein lag falsch ^^

  21. #21 Aragorn
    15. April 2010

    War das nicht eher die Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik, die Einstein ablehnte?
    Durch die Bellsche Ungleichung wurden alle lokal, realistischen Theorien, die Einstein eher zusagten (mit verborgenen Variablen), widerlegt.

    Lokalität: Beeinflußung von Objekt A hat keine direkte Auswirkung auf ein räumlich getrenntes Objekt B.
    realistisch: jede physikalische Größe existiert, unabhängig davon ob sie gemessen wird.

    Ergo sollte:

    * Einsteins favorisierte Theorie mit verborgenen Variablen lokale und realistische Theorie sein? (und daher widerlegt)
    * die Kopenhagener Quantenmechanik eine nicht-lokale und nicht-realistische Theorie sein?
    * die Bohmsche Mechanik eine nicht-lokale aber realistische Theorie sein? (und daher auch nicht widerlegt)

  22. #22 Weirdo Wisp
    13. Mai 2010

    Schein ein cooler und anschaulicher Vortrag gewesen zu sein. Und auch Deine Beschreibung finde ich recht anschaulich und einigermaßen verständlich (obwohl ich außer der normalen Schulphysik nicht allzu viel kenne).