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Relativitätstheorie: Einstein auf dem Prüfstand

Mit einem neuen Experiment ließ sich der Grundpfeiler der Speziellen Relativitätstheorie - die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit - noch genauer bestätigen. Einige Quantengravitations-Modelle fordern kleine Abweichungen von dieser Konstanz.


Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser – nicht nur im täglichen Leben fährt man mit dieser Weisheit meist gut, sondern auch in der Wissenschaft. Immer wieder war in der Geschichte der Physik ein gesundes Misstrauen gegenüber Mess-Ergebnissen Ausgangspunkt für bahnbrechende Entdeckungen. Auch in etablierten Zweigen der exakten Naturwissenschaften kann es sich durchaus lohnen, die Genauigkeit von Messungen so weit wie möglich zu verbessern, um physikalische Vorstellungen immer strengeren Tests zu unterziehen. Ein Team von Physikern der Universitäten in Konstanz und Düsseldorf hat dies nun mit einer der prominentesten Theorien überhaupt getan: Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie.

Deren Grundlage bildete ein Experiment aus dem Jahre 1887, mit dem nachgeprüft werden sollte, wie sich die Erde relativ zum "Äther" bewegt. In diesem ungreifbaren Stoff sahen damals viele Physiker das Medium, in dem sich elek-tromagnetische Wellen ausbreiten. Die Bewegung der Erde relativ zu ihm sollte dazu führen, dass sich Licht in verschiedenen Richtungen unterschiedlich schnell fortpflanzt. Albert Michelson und Edward Morley suchten mit einem spe-ziell konstruierten Apparat nach diesem Geschwindigkeitsunterschied und fanden – nichts: Das Licht bewegte sich in allen Richtungen gleich schnell.

Dieses sensationelle Null-Resultat löste sofort heftigste Diskussionen in der Welt der Physiker aus, bis Einstein 1905 mit seiner Speziellen Relativitätstheorie die althergebrachten Vorstellungen seiner Kollegen von Raum und Zeit schließlich komplett über den Haufen warf. Der Äther wurde als Konzept abgeschafft, und oberstes Prinzip war von nun an, dass sich physikalische Gesetze unabhängig von der (unbeschleunigten) Bewegung eines Beobachters immer auf gleiche Art und Weise beschreiben lassen.

Insbesondere deklarierte Einstein die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als fundamentale Naturkonstante, die immer und überall denselben Wert hat. Ein Lokführer, der mit hundert Kilometern pro Stunde einem Signal entgegenfährt, wird daher dieselbe Geschwindigkeit des Signallichts messen wie ein auf dem Bahnsteig wartender Passagier; dafür ticken die Uhren im Zug einen Tick langsamer. Mit einigen einfachen mathematischen Gleichungen, die der niederländische Physiker Hendrik Antoon Lorentz schon vor Einstein abgeleitet hatte, lässt sich ausrechnen, welches Resultat ein beliebiges physikalisches Experiment an Bord der Lokomotive aus Sicht des Passagiers auf dem Bahnsteig liefert.

Die Eleganz der Speziellen Relativitätstheorie verhalf ihr sehr schnell zum Durchbruch. Bis heute ist aber auch kein Faktum aufgetaucht, das im Widerspruch zu ihr steht. Im Gegenteil: In der Teilchenphysik wird sie ständig ganz selbstverständlich mit großem Erfolg angewendet. Doch so etabliert und wohlerprobt eine Theorie auch ist – wie genau sie die Natur beschreibt und ob oder wo sie möglicherweise an Grenzen stößt, können letztlich nur Experimente entscheiden. Der Michelson-Morley-Versuch ist inzwischen mehrmals wiederholt und verfeinert worden. Heutzutage können sich die Physiker daher sicher sein, dass die Lichtgeschwindigkeit auf der Erde allerhöchstens um ein millionstel Prozent mit der Richtung variiert.

Kosmisches Karussell

Experimentell nicht so gut abgesichert ist dagegen eine allgemeinere Aussage von Einsteins Theorie. Danach soll die Lichtgeschwindigkeit generell unabhängig davon sein, wie schnell sich ein Testlabor relativ zu einem als ruhend gedachten Bezugssystem bewegt. Als solches könnte etwa der Fixsternhimmel oder präziser: der kosmische Mikrowellen-Hintergrund fungieren, durch den das Sonnensystem mit fast 340 Kilometern pro Sekunde rast. Da die Erde selbst mit 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne kreist, ändert sich ihre Geschwindigkeit relativ zum Mikrowellen-Hintergrund im Laufe eines Jahres um 60 Kilometer pro Sekunde oder knapp 18 Prozent.

Variiert parallel dazu auch die Lichtgeschwindigkeit, die in einem Labor auf der Erde gemessen wird? Bisher konnten Physiker experimentell nur zeigen, dass eventuelle Schwankungen weniger als ein hundertstel Prozent betragen. Entsprechende Messungen, die auch als Kennedy-Thorndike-Experimente bezeichnet werden, waren demnach zehntausendmal ungenauer als die nach Michelson und Morley.

Um die Gültigkeit der speziellen Relativitätstheorie auch für diesen Fall gründlicher zu überprüfen, haben Achim Peters aus Konstanz und seine Kollegen deshalb jetzt eine Apparatur entwickelt, die deutlich präzisere Ergebnisse erlaubt. Das Kernstück ist ein Resonator aus Saphir, dessen Länge durch Abkühlen auf – 269 Grad Celsius extrem stabil gehalten wurde. In ihn koppelten die Konstanzer Wissenschaftler einen Laserstrahl ein. Damit er eine stehende Welle bilden konnte, musste seine Wellen-länge ein Teiler der Resonatorlänge sein. Ein Rückkopplungsmechanismus sorgte dafür, dass diese Resonanzbedingung ständig erfüllt war. Zugleich maß eine Atomuhr kontinuierlich die Frequenz des Lasers. Diese ist aber über die Lichtgeschwindigkeit mit der Wellenlänge verknüpft. Eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit hätte bei konstanter Wellenlänge also die Frequenz verschieben müssen, was mit Hilfe der Atomuhr nachweisbar gewesen wäre.

Die Messungen über ein Jahr hinweg ergaben erwartungsgemäß keine solche Verschiebung und damit auch keine Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Relativgeschwindigkeit der Erde (und des Labors in Konstanz) gegenüber dem Fixsternhimmel. Die Genauigkeit lag bei zwei tausendstel Prozent. Damit war sie zwar nur dreimal so hoch wie bei den präzisesten bisherigen Messungen, doch die Forscher sind zuversichtlich, sie mit einer besseren Atomuhr in naher Zukunft nochmals um das Hundertfache steigern zu können.

Auch winzige Abweichungen, wie sie jetzt noch denkbar sind, würden Einsteins Theorie freilich nicht zu Fall bringen, sondern nur ihre Grenzen aufzeigen – so wie die Spezielle Relativitätstheorie ihrerseits die newtonschen Gesetze nicht widerlegt, sondern nur für den Grenzfall sehr hoher Geschwindigkeiten modifiziert hat.

Selbst der bloße Nachweis der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit mit immer höherer Genauigkeit hätte mehr als nur ideellen Wert. Seit Jahrzehnten nämlich bemühen sich theoretische Physiker, die beiden Grundpfeiler der modernen Physik – die Quantenmechanik und Einsteins Gravitationstheorie – miteinander in Einklang zu bringen. Einige ihrer Lösungsansätze, zu denen die String-Theorien gehören, sagen eine leichte Verletzung der Prinzipien der speziellen Relativität voraus. Je genauer deren Gültigkeit experimentell überprüft wird, desto sicherer lassen sich deshalb diejenigen Quanten-Gravitationstheorien ausschließen, die eine zu große Verletzung vorhersagen. Trotz eventueller Enttäuschungen kann dies den Theoretikern freilich nur recht sein, da sich ihre komplizierten Formeln auf anderem Wege bisher nicht nachprüfen lassen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2002, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
7 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 7 / 2002

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