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Relativitätstheorie: Zeitdilatation im Labor gemessen

Nach Einsteins Relativitätstheorie vergeht für Personen, die sich relativ zueinander bewegen oder die sich auf verschiedenen Höhen über der Erdoberfläche befinden, die Zeit unterschiedlich schnell. Diese Zeitdilatation zeigt sich beispielsweise beim Vergleich von Uhren auf dem Boden mit solchen an Bord einer Rakete oder eines Flugzeugs. Mit Hilfe von modernsten Atomuhren haben Forscher solche Experimente nun bei wesentlich kleineren Höhen- und Geschwindigkeitsdifferenzen durchgeführt.

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Altersunterschied | Wer dreißig Zentimeter über dem Erdboden steht, altert etwas schneller – allerdings läge der Altersunterschied zweier Versuchsperonen mit einem derartigen Höhenunterschied nach 79 Jahren nur bei rund 25 Milliardstel Sekunden.
Chin-Wen Chou und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology in Boulder verbanden zwei nahezu identische optische Atomuhren mit einem 75 Meter langen Lichtwellenleiter. Beide zählen zu den präzisesten Uhren der Welt und weichen nach mehr als drei Milliarden Jahren weniger als eine Sekunde ab. Die Wissenschaftler hoben nun eine der beiden Uhren um rund 30 Zentimeter an und verglichen dann das "Ticken" der beiden Zeitmesser. Die relative Frequenzverschiebung lag lediglich in der Größenordnung von 10-17, dennoch war eindeutig nachzuweisen, dass die obere Uhr schneller ging als die untere – genau wie von Einstein vorhergesagt.

In einer zweiten Reihe von Experimenten brachten die Forscher das Aluminium-Ion – das der Atomuhr als Taktgeber dient – mittels eines elektrischen Feldes dazu, sich hin- und herzubewegen. Bei verschiedenen Geschwindigkeiten zwischen Null und mehreren zehn Metern pro Sekunde bestimmten Chou und sein Team dann die Frequenz der Strahlungsübergänge im Ion. Tatsächlich verlangsamte sich das Ticken im Gegensatz zur Uhr mit ruhendem Taktgeber. Auch hier stimmen die Messergebnisse mit der Theorie überein.

Vergleiche von superpräzisen Uhren könnten in Zukunft für die Geodäsie nützlich sein, so die Wissenschaftler. Wären diese nämlich zu einem Netzwerk vereint, ließe sich der Abstand von Erdoberfläche und Geoid – dieser entspricht in etwa dem mittleren Meeresspiegel – messen: Aus der relativen Frequenzverschiebung könnte auf die Höhe der einzelnen Uhren geschlossen werden. Allerdings müssten für einen solchen Einsatz sowohl die Präzision der Atomuhren als auch die vernetzenden Leitungen noch weiter verbessert werden.

Trotz der winzigen Effekte spielt die Zeitdilatation auch in unserem Alltag eine Rolle: Würde beispielsweise das Global Positioning System (GPS) weder die Gravitation noch die Satellitengeschwindigkeit korrekt einbeziehen, wiche die angezeigte Position um viele Kilometer von der tatsächlichen ab. (mp)
38. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 38. KW 2010

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  • Quellen
Chou, C. W. et al.: Optical Clocks and Relativity. In: Science 326, S. 1630–1633, 2010.

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