18.09.2014

Max-Planck-Institut für Kernphysik

… und Einstein hat immer noch recht

Mit Hilfe des optischen Dopplereffekts gelang einem Physikerteam die genaueste direkte Messung der relativistischen Zeitdehnung und damit eine weitere Bestätigung der Speziellen Relativitätstheorie. Als Uhren verwendeten sie auf fast 34% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Lithiumionen, die von Laserstrahlen in und entgegen der Flugrichtung „abgelesen“ werden. (PRL, 16.09.2014)

Eine bedeutende Konsequenz der Speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein ist die Zeitdilatation (Zeitdehnung): bewegte Uhren gehen relativ zu einer ruhenden Uhr langsamer. Diese Zeitdehnung wird mit Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit immer größer. Makroskopische Uhren lassen sich aber bisher nur auf kleine Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, sodass damit eine präzise Messung der Zeitdilatation noch nicht möglich ist. Abhilfe schaffen spezielle Atomuhren: schnelle Ionenstrahlen, die mittels Laserspektroskopie „abgelesen“ werden. Die Zeitdehnung beeinflusst nämlich auch den – aus dem Alltag bei Schallwellen bekannten – Dopplereffekt, der zu einer Verschiebung der Frequenz eines von einem bewegten Objekt ausgesandten Lichtstrahls führt. Eine präzise Messung dieser Frequenzänderung erlaubt deshalb eine präzise Bestimmung der Zeitdehnung und stellt damit auch gleichzeitig einen empfindlichen Test zur Gültigkeit der Speziellen Relativitätstheorie dar.

„Unsere Uhren waren Lithiumionen (7Li+), in denen wir zwei über einen gemeinsamen Zustand gekoppelte Übergänge mit Lasern anregten und die Fluoreszenz beobachteten“, sagt Dirk Schwalm, emeritierter Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und einer der verantwortlichen Experimentatoren. Die beiden Laserstrahlen liefen mit oder entgegen dem Lithiumionenstrahl, der im Speicherring ESR des GSI Helmholtzzentrums in Darmstadt mit 33,8% der Lichtgeschwindigkeit kreiste. „Wir mussten ‚nur‘ 2 Frequenzen präzise bestimmen, nämlich die für simultane Resonanz erforderlichen dopplerverschobenen Frequenzen der beiden Laserstrahlen, da die beiden Übergangsfrequenzen in ruhenden Lithiumionen bereits aus früheren Messungen hinreichend genau bekannt waren. Wenn Einstein recht hat, muss das Produkt der beiden Laserfrequenzen geteilt durch das Produkt der zwei Ruhefrequenzen gleich eins sein“, erläutert Schwalm die Eleganz der Methode.

Zur Bestimmung der dopplerverschobenen Frequenzen kam Doppelresonanz-Spektroskopie zum Einsatz. Dazu stellten die Physiker die Frequenz eines der Laser auf die dopplerverschobene Frequenz einer der beiden sogenannten Hyperfeinstruktur-Übergänge in dem 7Li+-Ion ein. Den anderen Laser stimmten sie über die dopplerverschobene Frequenz des anderen Hyperfeinstruktur-Übergangs durch. Bei Resonanz werden Lithiumionen mit genau definierter Geschwindigkeit über beide spektroskopischen Äste hin- und hergeschaukelt. Das führt zur Emission von Fluoreszenzlicht, das senkrecht zur Flugrichtung der Ionen beobachtet werden kann, während Ionen mit leicht abweichender Geschwindigkeit „dunkel gepumpt“ werden und so die Messung nicht beeinträchtigen.

Das Ergebnis bestätigt die Einstein‘sche Vorhersage auf zwei Milliardstel genau, rund viermal genauer als im Vorgängerexperiment, das am Heidelberger Testspeicherring bei 6,4% der Lichtgeschwindigkeit und mit einer abweichenden spektroskopischen Methode durchgeführt worden war. Das Grundprinzip der Experimente hat Einstein selbst schon vorgeschlagen. Erstmals realisiert wurde es 1938 von Ives und Stillwell, die so die Zeitdehnung mit 1%iger Genauigkeit nachweisen konnten. Der große Vorteil dieses Prinzips ist der direkte und absolute Zugang zur Zeitdehnung ohne zusätzliche Annahmen. Von Bedeutung sind diese immer genaueren Tests der Relativitätstheorie und der ihr zugrunde liegenden Lorentzinvarianz insbesondere in Hinblick auf eines der größten Ziele der gegenwärtigen theoretischen Physik, der Vereinigung von Quantentheorie und Allgemeiner Relativitätstheorie.

Literatur:
Test of time dilation using stored Li+ ions as clocks at relativistic speed, B. Botermann et al., Phys. Rev. Lett. 113, 120405 (2014), DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.120405, dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.120405

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