Ok, hab ich euch gelockt mit dem Titel? Gut so, denn das ist ein wirklich bemerkenswertes Experiment. Allerdings ist der Titel auch ein bißchen unfair, denn nicht nur der US-Energieminister und Physik-Nobelpreisträger Steven Chu war beteiligt, sondern auch Holger Müller aus Berkeley und Achim Peters aus Berlin. Dem aufmerksamen ScienceBlogs-Leser ist Holger Müller vielleicht schon bekannt, denn er hat auch ein interessantes Experiment zum Finden Dunkler Energie im Labor vorgeschlagen. 2008 hatte er eine weitere clevere Idee: Er hat erkannt, dass man mit Daten aus einem früheren Experiment im Labor die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie mit bislang unbekannter Präzision messen kann.
Von der verschiedenen Prinzipien der Relativitätstheorie ist das der lokalen Positionsinvarianz am wenigstens genau getestet. Die lokale Lorentzinvarianz z.B. ist auf 17 Stellen hinter dem Komma bestätigt, aber die Auswirkung eines Gravitationspotentials auf die Zeit war bislang nur bis auf 7*10-5 genau bestätigt. Dieses Prinzip besagt, dass die Zeit umso schneller läuft je weiter man von einem Gravitationspotential (z.B. durch die Masse der Erde) entfernt ist.

ResearchBlogging.orgDAS klassische Experiment dazu war das Experiment von Hafele und Keating 1971, bei dem Caesium-Atomuhren in Linienflugzeugen transportiert wurden. Die bislang genauste Messung fand mit einem Helium-Maser in einer Rakete statt. Holger Müllers Idee packt jetzt lockere 4 Größenordnungen Verbesserung drauf.
Das Phänomen bezeichnet man als gravitative Rotverschiebung, denn dadurch dass die Zeit unterschiedlich vergeht, denn bei der Entfernung von einer Masse wird die Frequenz geringer, also rotverschoben. Der erste experimentelle Nachweis der gravitativen Rotverschiebung war das Pound-Rebka-Experiment.
Jetzt erlaubt aber die Methode der Atom-Interferometrie, diese ganz leichten Frequenzverschiebung in der Phase eines in der Quantenwelt geteilten fallenden Atoms wiederzufinden.
Das Experiment dazu stammt von Physik-Nobelpreisträger Steven Chu, der die Laser-Atomfalle entwickelt hat. Daraus entwickelte er die Idee der Atom-Interferometrie weiter und publizierte schließlich mit Achim Peters und Keng Yeow Chung 1999 ein Experiment in Nature, bei dem die Gravitationskonstante damit vermessen wurde. Müllers Idee geht weiter, er verwendet die Daten aus diesem Experiment, um die gravitative Rotverschiebung zu bestimmen.

Wer braucht schon Flugzeuge?

Und denkt, auf was für Dimensionen sich das abspielt. Die früheren Experimente brauchten Flugzeuge und Raketen, um weit genug von der Erde wegzukommen um einen winzigen Effekt zu messen. In Müllers Experiment langt ein Höhenunterschied von 0,1 Millimeter, um eine wesentlich genauere Bestimmung vorzunehmen. So genau kann man mit Interferenzversuchen messen.
Das Caesium-Atom wie in diesem Experiment wird auch in Atomuhren verwendet, wie ich vor Urzeiten (Teil 2) mal beschrieb. Der Unterschied zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Zuständen ist es, der Caesium so attraktiv macht, denn kleiner Unterschied = hohe Frequenz = genauer Zeitpuls.
In diesem Experiment aber wird das ganze Atom zur Uhr: Man versetzt es in eine quantenphysikalische Überlagerung zwei Zustände – in einem hat es ein wenig mehr Impuls gewonnen und fliegt etwas höher:

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Und das geht so: Man fängt mit einer Laser-Falle ein Caesium-Atom und schießt es wie in einer Fontäne senkrecht nach oben. Beachtet, dass im Bild nach links die Zeitachse läuft, und keine zweite Raumrichtung. Zu einer bestimmten Zeit schießt man dann von oben und unten mit einem Laser. Die Laser sind so eingerichtet, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% ein Photon absorbiert wird und das Atom einen kleinen Kick nach oben bekommt. Daher teilt sich seine Wellenfunktion in eine Überlagerung zweier Alternativen. Bei der einen aber legt das Atom einen anderen Weg zurück, 0,1 mm weiter weg von der Erde, und daher wird dort die Frequenz ganz leicht rotverschieben. Zweimal noch bekommt das Atom auf seinem Weg Laser ab – beim zweiten Mal, damit die Weg sich in einem Punkt beim dritten Puls vereinigen.

Voila – Phasenverschiebung

So können wir also nach der Wiedervereinigung der beiden Alternativen die Phasenverschiebung messen, die uns angibt wie sehr sich die Frequenzen verschoben haben. Falls man das ausrechnet, ergibt sich die Abhängigkeit der Phasenverschiebung von drei Beiträgen: Der Interaktion zwischen Atom und Photon, der Zeitdilatation durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten und schließlich der gesuchten Rotverschiebung. Die letzten beiden Teile sind abhängig von der Compton-Frequenz, die die gesamte Energie des Atoms mit seiner Materiewelle verknüpft. Da hier auch die relativ hohe Ruhemasse das Caesium-Atoms einfließt, ist diese extrem hoch (Größerordnung 1025 Hz) und ergibt daher eine so genaue Uhr. Daraus bestimmt man dann den “Rotverschiebungs-Parameter”. Dieser ist so definiert, dass er die Abweichung von der Vorhersage durch die Allgemeine Relativitätstheorie angibt.
So ein Experiment ist eigentlich eine Win-Win-Situation. Eine starke Verbesserung der Messmethode ist eh schon hoch attraktiv, und jede noch genauere bestätigende Messung lässt uns nur staunen, wie toll die Gleichungen von Einstein die Natur beschreiben. Und wenn das Experiment reproduzierbar eine Abweichung messen würde, wäre es gleich noch
eine umstoßende Sensation und der Startschuss für neue Physik. Aber es gibt keinen Startschuss, stattdessen eine beindruckend niedrige obere Grenze für den Rotverschiebungs-Parameter: 7*10-9.
Daraus kann man noch schlussfolgern, dass die Genauigkeit der Zeitmessung in diesem Experiment in der Größenordnung 10-29 s liegt. Ich frage mich, ob man das nicht umkehren kann um unter der Annahme, dass die Rotverschiebung tatsächlich so aussieht, noch genauere Uhren zu bauen.

Bleibt noch zu bemerken: Da findet also der US-Forschungsminister neben seiner 70-80-Stundenwoche noch Zeit, Paper für das prestigereichste Journal der Welt zu schreiben. Und was haben wir? Eine Theologin.

Müller, H., Peters, A., & Chu, S. (2010). A precision measurement of the gravitational redshift by the interference of matter waves Nature, 463 (7283), 926-929 DOI: 10.1038/nature08776

Kommentare (20)

  1. #1 Markus
    02/19/2010

    Schöner Artikel, der leider mit einem völlig unnötigen und überflüssigem Theologen-Bashing endet… :-(

  2. #2 Jörg
    02/19/2010

    Wieso unnötig? Theologen sind die Spin-Meister der Religions-Apologetik. Nichts könnte weiter weg sein von Wissenschaft und Forschung. Ich kann nicht verstehen, wie das Amt des Wissenschaftsministers kein Wissenschaftler oder keine Wissenschaftlerin bekleiden kann. Es ist einfach eine weggeworfene Chance.

  3. #3 Dome
    02/19/2010

    Leiderleider ist das Theologendasein nicht das wirkliche Problem an Frau Schavan. Das wirkliche Problem ist sie selbst. Die Frau ist keine Wissenschaftlerin, die Frau ist ein politisches Fähnchen im Wind und eine üble Gesinnungstäterin. (Kopftuch, AntiFa-Lehrer). Das so eine Person Verantwortung trägt für Forschung und Bildung ist der blanke Hohn….

  4. #4 Christian Reinboth
    02/19/2010

    Annette Schawan ist keine reine Theologin. Studiert hat sie Erziehungswissenschaften, Philosophie und Theologie mit Schwerpunkt auf Philosophie. Promoviert hat sie ebenfalls im Bereich der Philosophie, ist also Doktorin der Philosophie und nicht der Theologie. Der Eindruck rührt vermutlich daher, dass die FU Berlin sie zur Honorarprofessorin für kath. Theologie berufen hat. Veröffentlicht hat sie übrigens auch hauptsächlich zu Bildungsthemen, obwohl auch ein paar Titel zu religiösen Themen dabei sind:

    https://portal.d-nb.de/opac.htm?query=Woe%3D118160168&method=simpleSearch

  5. #5 Jörg
    02/19/2010

    Also noch ein bißchen “gefühlte” Bildungsdenkerei dazu, das macht es echt nicht besser…

  6. #6 Hans Brandl
    02/19/2010

    @Jörg: ich glaube Sie machen sich das wirklich etwas zu einfach, Menschen danach zu klassifizieren ob sie denn auf einer Hochschule waren und was sie denn da studiert haben . Für mich ist das üble Arroganz, die ich so eigentlich nur von Pseudo- Wissenschaftlichen Hetzzeitungen kenne , die hier aber auch ab und zu leider zitiert werden.
    Wer hat denn Ihrer überlegenen Meinung nach, denn jetzt die geistige Überlegenheit das Amt eines Forschungsministers zu bekleiden und dieses auch so getan , dass Sie zufrieden waren?:
    – Naturwissenschaftler ? zwei hatten wir m.W. in der BRD
    – Juristen und Lehrer? fast alle anderern.
    – und natürlich Sie mit der nutzbaren Klassifikation Theologie-Gegener!

    Und übrigens zu @Dome:
    Ja der Bundes Forschungsminister oder der entsprechende DG in der europ. Kommission soll Politik machen und nicht seinem persönlichen Forschungshobby nachgehen , dafür wird er nicht bezahlt! Und dass Politiker Meinungen haben (dürfen) ist eben Bestandteil unserer freiheitlichen Gesellschaft.
    Und wenn Amateure wie Herr Joschka Fischer es geschafft haben in Deutschland die rote Gentechnik fast zu ruinieren und zu blockieren bevor er grösster Aussenminister aller Zeiten wurde , dann müssen wir das eben auch tolerieren und die wirtschaftlichen Schäden in Milliardenhöhe, die er damit angerichtet hat mit unseren Steuern bezahlen.
    Und wenn Frau Schavan es schafft daß Sie ähnliche Amokläufe Ihrer Kollegin Aigner bei der grünen Gentechnik teilweise verhindert, dann sei Ihr m.M. das falsch Studienfach verziehen und Sie soll auch sagen dürfen was ie denkt, obwohl Sie ein Faible für Theologie hat.

    Hans B

  7. #7 Jörg
    02/19/2010

    @Hand Brandl: Jetzt bleiben wir aber mal ein bißchen auf dem Teppich, ja? Theologie ist eben keine Wissenschaft, nicht annähernd, und ich weiß nicht wie jemand der Texte wie “Gott ist Licht” verfasst hat die Forschung in Deutschland, die so toll und elitär ist formen soll. Da braucht es wohl jemanden, der auch mal geforscht hat. Und Steven Chu ist nicht nur ein erstklassiger Forscher, der auch nach seinem Nobelpreis noch revolutionäre Ideen hat, sondern AUCH noch eine gute Führungskraft.
    In Sachen Bildung mag Schavan ja besser sein, aber das ist ja (leider) auch mehr Ländersache.

  8. #8 Christian Reinboth
    02/19/2010

    For the record: Bundesminister für Bildung und Wissenschaft seit 1962

    Hans Lenz (FDP): Neuphilologie und Philosophie
    Gerhard Stoltenberg (CDU): Geschichte, Soziologie und Philosophie
    Hans Leussink (parteilos): Bauingenieurwesen
    Klaus von Dohnanyi (SPD): Rechtswissenschaft
    Helmut Rohde (SPD): Journalistik
    Jürgen Schmude (SPD): Rechts- und Theaterwissenschaft
    Björn Engholm (SPD): Politikwissenschaft, Volkswirtschaftslehre und Soziologie
    Dorothee Wilms (CDU): Volkswirtschaftslehre und Soziologie
    Jürgen Möllemann (FDP): Deutsch, Geschichte und Sport (Lehramt)
    Rainer Ortleb (FDP): Mathematik(!)
    Karl-Hans Laermann (FDP): Bauingenieurwesen
    Edelgard Buhlman (SPD): Politikwissenschaft und Anglistik
    Annette Schavan (CDU): Philosophie, Erziehungswissenschaften und Theologie

    Wenn ich keinen verpasst habe, hatten wir in den letzten 50 Jahren genau einen Naturwissenschaftler im engeren Sinn auf dem Posten des Forschungsministers.

  9. #9 Stefan Rauschen
    02/19/2010

    Chu ist nicht Forschungsminister, sondern United States Secretary of Energy. Forschungspolitik im Energiesektor ist zwar sein Metier, aber man kann das glaube ich nicht mit unserem Forschungsministerium gleichsetzen.
    Minister sollten die richtigen Leute identifizieren können, die in ihrem jeweiligen Geschäftsbereich Ahnung haben und sinnvolle Politik machen können. Dazu muss man nicht unbedingt selbst vertieft Ahnung im Fachbereich haben – das würde aber sicherlich hilfreich sein. Allerdings hilft einem manchmal auch ein Aussenseiterblick eher weiter… Gibt halt immer zwei Seiten der Medaille…

  10. #10 Karl Mistelberger
    02/19/2010

    “Chu ist nicht Forschungsminister, sondern United States Secretary of Energy.”

    Wie auch immer, Energy secretary-designate Steven Chu not too busy to conduct heavy-duty physics

  11. #11 Jörg
    02/19/2010

    Die großen Forschungseinrichtungen unterstehen dem Department of Energy, man kann das also schon in gewissen Rahmen mit unserem Forschungsminister/unserer Forschungsministerin vergleichen.

  12. #12 schlappohr
    02/19/2010

    @Jörg:
    Bedeutet das, dass sich das Cs-Atom gleichzeitig an zwei Orten befindet, die 1/10 mm auseinander liegen? Diese Strecke ist ja astronomisch im Vergleich zur Größe des Atoms. Was würde passieren, wenn der zweite Laserimpuls fehlen würde, würde die Differenz dann noch größer?

  13. #13 Jörg
    02/19/2010

    @Christian: Also Mathematik würde ich gar nicht als Naturwissenschaft im engeren Sinne zählen. Mir gehts auch nicht um Naturwissenschaft, ein Forscher kann Physiker, Chemiker, Biologe, Mediziner oder auch Ingenieur sein, und vieles mehr. Hauptsache er hat echt Erfahrung im Forschen, am besten in großen Projekten, hat gute Ergebnisse erzielt. Und als nächstes muss er sich als Manager bewiesen haben, z.B. als Institusleiter oder Leiter einer Großforschungseinrichtung. Und wenn er dann wie Chu beweist, trotzdem noch nahe an der Forschung zu sein und nicht zum puren Politiker geworden ist, wie leider bei vielen an gehobenen Positionen, dann ist er ein guter Kandidat. Ich würde mich auch besonders freuen, wenn mehr Parteilose auf diesen Posten kämen.

    @schlappohr: Also ich hab lange gesucht und andere Stellen geguckt, aber nichts anderes gefunden als dass tatsächlich das Atom zwei verschiedene Wege nimmt (so wie das Elektron im Doppelspaltversuch). Meine Vermutung ist, wenn der zweite Strahl nicht für die Wiedervereinigung sorgen würde, würde das nicht so auftreten, da sich dann das Atom für einen der Wege entscheiden würde.

  14. #14 Karl Mistelberger
    02/19/2010

    Atom interferometers with scalable enclosed area: http://arxiv.org/pdf/0903.4192v1

  15. #15 Scientist
    02/20/2010

    Das Ministerium für Forschung und Technologie war ja jahrelang eigenständig. Allerdings sieht es dort nicht besser aus:
    Horst Ehmke (SPD): Rechtswissenschaft und Volkswirtschaftslehre
    Hans Matthöfer (SPD): Wirtschafts- und Sozialwissenschaften
    Volker Hauff (SPD): Wirtschafts- und Sozialwissenschaften
    Andreas von Bülow (SPD): Rechtswissenschaft
    Heinz Riesenhuber (CDU): Naturwissenschaften (Hauptfach Chemie) (!)
    Matthias Wissmann (CDU): Rechtswissenschaft, Volkswirtschaftslehre und Politik
    Paul Krüger (CDU): Maschinenbau

    Allerdings war Riesenhuber über ein Jahrzehnt Forschungsminister.

  16. #16 Max Feierabend
    02/20/2010

    @Jörg

    Ein feiner Beitrag mit einem Schönheitsfehler. Warum verlinkst Du zum Pound-Rebka-Experiment ausgerechnet die site “Absolute Motion Institute” des cranks James Carter? Ein Versehen?

    Beste Grüße aus Berlin
    Max Feierabend

  17. #17 Kristin
    02/20/2010

    Schöner Artikel, der leider mit einem völlig unnötigen und überflüssigem Theologen-Bashing endet… :-(
    ——————
    Ich find das gut … ein Theologe ist für eine solche Position nicht hinreichend qualifiziert.

  18. #18 Christian Reinboth
    02/21/2010

    @Jörg:

    Hauptsache er hat echt Erfahrung im Forschen, am besten in großen Projekten, hat gute Ergebnisse erzielt.

    Da sprichst Du im Grunde auf einen interessanten Unterschied zwischen den politischen Systemen von BRD und USA an. Da bei uns ein Großteil des Kabinetts aus dem Parlament in die Regierung berufen wind, sind die meisten deutschen Minister als Mandatsträger in den politischen Betrieb eingebunden, haben einen Wahlkreis, führen Wahlkampf etc. In den USA werden dagegen in den seltensten Fällen Politiker zu Ministern berufen, sondern meist mehr oder weniger parteigebundene Fachleute, die während des Wahlkampfes nicht in Erscheinung treten, da sie oft selbst noch nicht wissen, dass sie im Falle eines Wahlsiegs auf der Kabinettsliste stehen.

    Diese Situation ermöglicht es, dass Spitzen-Forscher wie Chu zu Ministern berufen werden, ohne sich zuvor in der Parteihierarchie “hochgekämpft” zu haben, während der in der BRD “übliche” Weg über eine Parteikarriere führt, d.h. erste Schritte in der Jugendorganisation, Übernahme von Parteiämtern, Wahlkämpfe um Mandate auf kommunaler oder Landesebene, Einstieg in die Bundespolitik etc. pp. Ein echter Experte – sei es auf dem Gebiet der Wissenschaft oder anderswo – hat für ein so umfangreiches ehrenamtliches Engagement schlicht und ergreifend keine Zeit – und würde er sie sich nehmen, würde er schon bald nicht mehr zur “Spitze” gehören.

    Die Vergabe wichtiger Posten an Outsider, die in den USA usus ist, ist aus diesen Gründen bei uns eher ungewöhnlich – als eine der wenigen Ausnahmen der letzten Jahre würde mir Peter Hartz einfallen. Ansonsten kommt man schon ins Schwimmen, wenn man begründen soll, was beispielsweise Rudolf Scharping für den Posten des Verteidigungsministers qualifiziert hat. Auf der anderen Seite bietet dieses System dem Souverän natürlich die Möglichkeit, in gewissen Grenzen über die Ministerriege mitzubestimmen – man denke nur an die “Kompetenzteams”, die Angela Merkel und Frank-Walter Steinmeier während des Wahlkampfes präsentiert haben, und die ja im Wesentlichen dem späteren Kabinett im Falle eines Wahlsiegs entsprochen hätten…

  19. #19 Thomas Xavier
    02/21/2010

    Was wohl Frau Lopez dazu sagt :-)

  20. #20 Gluecypher
    02/22/2010

    @Thomas Xavier

    Was wohl Frau Lopez dazu sagt :-)

    Naja, dasselbe wie immer: “Einstein is’ ein dooooofer Pippi-Kacka-Arsch. Ich als Sekretärin ohne Ahnung von Physik muss es ja schließlich wissen! Sieht man doch jeden Tag an den Radarmessungen der Polizei! Blblblblbl……usw. undsofort…ad nauseam….ad infinitum”