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Relativitätstheorie: Kein Unterschied zwischen Äpfeln und Atomen

Gravitation ist eine Angelegenheit für große Denker: Newton hat erkannt, dass sie die Anziehungskraft für so unterschiedliche Körper wie Äpfel und Erde liefert. Galileo wies experimentell nach, dass alle Dinge gleich schnell fallen. Und Einstein machte in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Gravitation zu einer geometrischen Eigenschaft der Raumzeit. Fragt sich nur, ob diese Regeln in der Mikrowelt der Atome ebenfalls Bestand haben.
Wenn ein Bleistift zu Boden fällt, dann ist die Erde schuld. Mit ihrer Masse krümmt sie die Raumzeit, in der wir leben – ähnlich wie ein Medizinball auf einem Trampolin das Sprungtuch verformt, nur mit einer Dimension mehr eben. Kullert der Bleistift über die Tischkante, fällt er entlang dieser Krümmung nach unten in Richtung Erdmittelpunkt, bis ihn der Fußboden aufhält.

So jedenfalls beschreibt die Allgemeine Relativitätstheorie das Phänomen der Gravitation oder Schwerkraft. Was für den Bleistift gilt, trifft auf jede beliebige Masse zu – egal, wie groß, schwer oder seltsam geformt sie ist. Scheinbare Abweichungen von diesem so genannten "schwachen Äquivalenzprinzip" sind Täuschungen durch den Luftwiderstand, die bei Experimenten im Vakuum schnell verschwinden.

Ein fundiertes Naturgesetz also – wenn da nicht die winzige Welt der Quanten und Atome wäre. Bis zum heutigen Tag ist es den Physikern nicht gelungen, die Aussagen der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik vollständig unter einen Hut zu bringen. Bevor eine Regel als universell gültig anerkannt wird, muss sie sich darum sowohl im Makro- als auch Mikrokosmos bewähren. Genau diesem Test haben Sebastian Fray vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und seine Kollegen von der Universität Tübingen und der Münchener LMU das schwache Äquivalenzprinzip nun unterzogen.

Weil Messungen im atomaren Maßstab eine knifflige Angelegenheit sind, mussten die Forscher auf recht trickreiche Verfahren zurückgreifen. Zunächst fingen sie in einer magneto-optischen Falle rund zwei Milliarden spezieller Rubidium-Atome ein. Laserlicht und magnetische Felder konzentrierten die Teilchen in der Probekammer zu einer kleinen schwebenden Kugel. Mit dem Laser beschleunigten die Wissenschaftler das Kügelchen nach oben und ließen es dann los, als wäre es ein Ball, den sie in die Luft werfen.

Angezogen von der Erdgravitation fielen die Rubidium-Atome wieder herab, was mit einem Atom-Interferometer genau vermessen wurde. Diese Apparatur nutzt die Welleneigenschaften der Atome und zeigt winzigste Unterschiede in Geschwindigkeit oder Weglänge an. Unter anderem wurde die Gravitation der Erde damit bereits auf ein Milliardstel genau bestimmt.

Ähnlich exakte Daten erhielten die deutschen Physiker bei Vergleich der Fallgeschwindigkeiten von Rubidium-85-Atomen und den etwas schwereren Rubidium-87-Atomen. Bis auf ein Hunderttausendstel Prozent gleich beschleunigten die beiden Isotope im Gravitationsfeld der Erde – im Rahmen der Messgenauigkeit also identisch.

Damit können alle Freunde Einsteins erleichtet aufatmen: Die Allgemeine Relativitätstheorie hat mal wieder eine kritische Prüfung bestanden. Eine beruhigende Erkenntnis an der Schwelle zum Einstein-Jahr 2005.

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