Die Relativitätstheorie sagt vorher, dass Zeit unterschiedlich verläuft, wenn man sich relativ zur Erde bewegt oder relativ zu uns weiter von der Erde entfernt ist (oder näher, aber ich sitze grad auf der Erde). Um diese Effekte zu messen braucht man – logisch – sehr genaue Uhren. Um sehr genau Zeit zu messen, braucht man eine sehr schnelle Oszillation, also etwas das sehr sehr oft pro Sekunde einen Bezug gibt. Wie z.B. eine elektromagnetische Welle sehr hoher Frequenz, wie sie in (hyper)feinen Übergängen von Elektronen in Atomen erzeugt wird. Bislang funktionierten die besten Standarduhren mit Rudeln von Atomen. Die Uhren waren an Mikrowellenresonatoren gekoppelt, sodass man an einem Caesiumschwarm erkennen kann, ob man Abweichungen in der Zeit hat und nachstellen muss. Jetzt aber übernehmen optische Uhren die genaueste Zeitmessung, denn sie beseitigen Fehlerquellen durch die notwendige Statistik, wenn man viele Atome verwendet und verwenden genau ein Atom als Frequenzgeber.
Ein einzelnes Aluminum-Atom wird in eine Falle eingesperrt und ein sehr hoch frequenter Elektronenübergang als Taktgeber für die Uhr benutzt – so erreicht man eine Verbesserung um den Faktor 10 bis 100. Solche Uhren bauen meistens nationale Stellen für Standardisierung und Vermessung, wie das amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado.
Tests der allgemeinen Relativitätstheorie brauchen Höhenunterschiede. Die Rekordmessungen dazu brauchten immer noch einen Höhenunterschied von vielen hundert Metern. Aber weil die Uhren jetzt so genau sind, reichen zwei große Tische und eine Hebebühne.
Das im Foto ist die optische Atomuhr, und daneben James Chin-wen Chou, einer der Autoren eines neuen Papers in Science, in dem die zwei Vorhersagen der Relativitätstheorie erstmals erfolgreich im Labor getestet wurden. (Mit “echten” Uhren, mit Atominterferenz kann man höhere Genauigkeiten erreichen.)
Der erste Teil ist die Vorhersage dass ein bewegter Körper langsam altert als ein ruhender. Dazu wurde das Aluminiumatom in der Uhr mit einem harmonischen elektrischen Feld in eine ganz gleichmäßige Schwingung versetzt – es reicht eine Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Sekunde für eine Bestätigung.
Um die Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie zu bestätigen, reichte ein Höhenunterschied von nur 33 cm! Man nahm zwei dieser Uhr in zwei benachbarten Laboren, verband sie über ein ganz spezielles Kabel und musste einfach nur den Unterschied in der Laufzeit anschauen.
Dies ist aber nicht nur eine Fingerübung, solch genaue kompakte Uhren könnten wirklich eingesetzt werden um äußerst genau Gravitation zu vermessen, vielleicht in einem Nachfolger von GOCE. Wenn man einen Weg findet, weltweit viele dieser Uhren zu verbinden, könnte man auch versuchen ein Netzwerk zu bauen, das ständig sehr genau vom Boden aus die Form der Erde vermisst.
Chou, C., Hume, D., Rosenband, T., & Wineland, D. (2010). Optical Clocks and Relativity Science, 329 (5999), 1630-1633 DOI: 10.1126/science.1192720
Kommentare (8)