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Relativitätstheorie

Gravitationsrotverschiebung so exakt wie nie zuvor bestätigt

Eine Uhr läuft unter Schwerkrafteinfluss langsamer. Diese zentrale Aussage der Relativitätstheorie haben Holger Müller von der University of California in Berkeley und Kollegen nun mit bisher unerreichter Genauigkeit bestätigt – mit Hilfe von Daten aus bereits zehn Jahre zurückliegenden Laborexperimenten.

Im Rahmen der Quantenmechanik besitzen Atome nicht nur Teilchen-, sondern auch Welleneigenschaften und können sich gleichzeitig in verschiedenen Zuständen befinden. Diesen Umstand machten sich Forscher zu Nutze: Sie brachten die Atome einer Zäsiumfontäne mit Hilfe von Laserpulsen zunächst in einen Überlagerungszustand (Superposition) aus zwei Materiewellen mit jeweils unterschiedlich hohen Flugbahnen. Damit sind die beiden Wellen ungleich weit vom Gravitationszentrum entfernt, was sich auf ihre Frequenz auswirkt.

Denn die so genannte Gravitationsrotverschiebung verlangsamt die Schwingungen von Licht- und Teilchenwellen – elektromagnetische Wellen erscheinen also zum Roten verschoben unter dem Einfluss von Schwerkraft. Dieser Effekt ist eng mit dem ungleichen Ticken von Uhren verknüpft, die sich in unterschiedlichen Gravitationspotenzialen befinden. Im damaligen Versuch wurden die beiden Materiewellen schließlich wieder zusammengeführt, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Aus diesem bestimmten Müller und sein Team nun die Phasendifferenz der beiden Wellen und leiteten daraus die aufgetretene Gravitationsrotverschiebung ab.

Die Wissenschaftler verglichen daraufhin ihre Ergebnisse mit der von Einstein vorhergesagten Rotverschiebung für die lokal gemessene Gravitation. Sie bestätigen den berechneten Wert mit einer Genauigkeit von 7*10-9 – 10 000 Mal besser als die bisher genauesten Messungen. Diese wurden bereits vor mehr als 30 Jahren durchgeführt und stammen aus dem Abgleich von Atomuhren auf der Erde sowie in einer Rakete.

Ihre Ergebnisse seien etwa interessant für GPS-Satelliten-Systeme oder für Gravitationswellendetektoren, so Müller. Schließlich müsse man den Einfluss der Schwerkraft besser kennen lernen, wenn man immer präzisere Zeitmesser verwende. Hebt man eine Uhr zum Beispiel um einen Meter an, so verändert sich die angezeigte Zeit bereits in der 16. Nachkommastelle. (mp)
7. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 7. KW 2010

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  • Quellen
Müller, H. et al.: A precision measurement of the gravitational redshift by the interference of matter waves. In: Nature 463, S. 926–929. 2010.

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