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Präzisionsmessungen: Relativistischer Effekt auf der Millimeterskala

Normalerweise zeigen sich die seltsamen ­Auswirkungen der Relativitätstheorie erst bei extremen Geschwindigkeiten oder Distanzen. Neue Uhren sind nun so präzise, dass sie die gravitative Zeit­dilatation innerhalb einer ­einzigen Atomwolke nachweisbar machen.
Spin

Laut Albert Einsteins Relativitätstheorie verzerrt ein Gravitationsfeld seine Umgebung und lässt Raum und Zeit anders erscheinen, je nachdem, wo man sich befindet. So vergeht die Zeit für eine Person, die sich an Bord eines Flugzeugs aufhält, minimal langsamer als für eine auf dem Erdboden. Aber solche Auswirkungen lassen sich üblicherweise selbst mit modernsten Zeitmessern nur feststellen, wenn die Unterschiede groß sind. So gelangen erste experimentelle Nachweise des Zeitdilatation genannten Effekts in den 1970er Jahren mit Atomuhren in Flugzeugen, auf Berggipfeln oder in einer Rakete. Sie liefen gegenüber identischen Instrumenten auf dem tiefer gelegenen Erdboden stets minimal schneller. Die Auswirkungen sind klein, können jedoch bei Präzisionstechnologien entscheidend sein. Heute funktioniert Navigation mittels GPS-Satelliten allein deswegen, weil die abweichende Zeit­wahrnehmung der Geräte in der 20 000 Kilometer hohen Umlaufbahn korrigiert wird. Dazu hat jeder Satellit eine Atomuhr an Bord.

Um den zeitverzögernden Einfluss des Schwerefelds der Erde grundsätzlich zu messen, sind derartige Höhenunterschiede allerdings schon lange nicht mehr nötig – dank fortschrittlicher Quantentechnologie. 2010 gelang es etwa mit einer hochgenauen optischen Atomuhr, die sich weniger als einen Meter über einer zweiten befand, eine Abweichung beim Takt festzustellen.

Nun sind gleich zwei Laborversuche in einen völlig neuen Bereich vorgestoßen …

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  • Quellen

Bothwell, T. et al.: Resolving the gravi­tational redshift across a milli­metre-scale atomic sample. Nature 602, 2022

Zheng, X. et al.: Differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock. Nature 602, 2022