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Relativitätstheorie: Warum die Zeit im Gebirge schneller vergeht

Mit einem surrealen Effekt der Gravitationsphysik haben Wissenschaftler die Höhe eines Tunnels in den französischen Alpen bestimmt.
Steinbock in den Alpen

Spontan würde wohl niemand auf die Idee kommen, mit einer Uhr die Höhe eines Berges zu messen. Sicher, es gibt da diesen Versuch aus dem Physikunterricht in der 8. Klasse, bei dem jemand die Höhe eines Kirchturms durch die Fallzeit eines Steins ermittelt. Im Gebirge geht das meist nicht. Und was soll ein geübter Geodät sonst bitteschön mit einer Uhr anfangen, wenn er sich beispielsweise dafür interessiert, in welcher Höhe ein Stollen in den Fels gehauen wurde?

Natürlich spielen Uhren in der modernen Landvermessung schon länger eine große Rolle, allein weil sie auf modernen Navigationssatelliten mitfliegen. Nun aber verkünden Wissenschaftler eine Premiere der mobilen, zeitgestützten Geodäsie: Mit Hilfe einer speziellen Atomuhr haben sie bestimmt, wie viele Meter über dem Flachland ein Tunnel durch einen Berg in Südfrankreich führt.

Uhren im Hochland gehen schneller

Die Messung basiert auf einem Phänomen, das Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat: Für einen außenstehenden Betrachter geht eine Uhr etwas langsamer, wenn sie sich näher an einer großen Masse befindet, Experten sprechen von "gravitativer Zeitdilatation".

Am eindrucksvollsten hat sie vielleicht der Hollywood-Blockbuster "Interstellar" veranschaulicht, in dem Astronauten auf einem Planeten landen, der sich knapp über dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs bewegt. Während die Abenteurer dort ein paar Stunden herumhüpfen, vergehen für einen Kollegen, der im Raumschiff zurückbleibt und so in größerem Abstand um das Massemonster kreist, mehr als 20 Jahre.

Mobile Atomuhr
Strontiumuhr auf Rädern | In einem speziell isolierten Lkw-Anhänger transportierten die Wissenschaftler die optische Atomuhr in den Alpentunnel. Dort vergeht die Zeit ein klein wenig schneller als im Flachland.

Der Effekt widerspricht der menschlichen Anschauung, ist aber physikalisch verbürgt. Denn letztlich kann man ihn selbst auf der Erde messen, auch wenn er hier viel kleiner ist als im Orbit eines kosmischen Materiefriedhofs. Davon zeugt nicht zuletzt die Studie, die nun im Fachmagazin "Nature Physics" erschienen ist. Darin schildern Physiker um Christian Lisdat von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, dass die Zeit in den französischen Alpen ein klein wenig schneller vergeht als im benachbarten Flachland.

Die Forscher nutzten für ihren Versuch eine optische Atomuhr, die mit dem Element Strontium gefüllt ist. Das Hochpräzisionsgerät misst Zeit, indem es zählt, wie oft ein Elektron in der Hülle der Atome hin und her hüpft. In einem auf Höhe des Meeresspiegels gelegenen Labor passiert dies exakt 429 228 004 229 873,4-mal pro Sekunde. Etwa 1000 Meter weiter oben – wo die Schwerkraft etwas geringer ist als näher am Erdmittelpunkt – vergeht die Zeit ein klein wenig schneller. Das Elektron hat dadurch in dem Zeitraum, in dem auf Meeresniveau eine Sekunde vergangen ist, 48 Sprünge mehr ausgeführt, berichten die Forscher nach Messungen im südfranzösischen Mont-Cenis-Tunnel und dem Vergleich mit einer Uhr im Flachland per Glasfaserkabel.

Damit haben die Wissenschaftler laut eigener Aussage vor allem bewiesen, dass sich optische Atomuhren auch mobil einsetzen lassen. Denn bisher konnte man entsprechende Messungen nur in Laboren durchführen. Für ihr Feldexperiment packten sie eine Strontiumuhr nun jedoch auf einen Autoanhänger und fuhren damit in den Tunnel in den französischen Alpen. Zwar liege die Genauigkeit der Messmethode noch unter der von Standardverfahren der Geodäsie. Aber künftig könne man damit vielleicht Höhenunterschiede von zehn Zentimetern messen, was sie für den Einsatz in schwer zugänglichen Gebieten interessant mache, so die Forscher.

07/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 07/2018

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