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RELATIVITÄTSTHEORIE
Zeitdehnung präzise nachgemessen
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
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17. September 2014

Mithilfe des optischen Dopplereffekts ist einem Physikerteam jetzt die genaueste direkte Messung der relativistischen Zeitdehnung und damit eine weitere Bestätigung der Speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins gelungen. Als Uhren verwendeten sie auf fast 34 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Lithiumionen, die dann mit Laserstrahlen ausgewertet wurden.

Experiment

Schematische Darstellung des Experiments. Gezeigt sind die beteiligten Energieniveaus in 7Li+-Ionen und die Übergänge, die von den blau- bzw. rotverschobenen Laserstrahlen angeregt werden. Der Detektor registriert das Fluoreszenzlicht senkrecht zur Flugrichtung der Lithiumionen.  Bild: MPIK [Großansicht]

Eine bedeutende Konsequenz der Speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein ist die Zeitdilatation (Zeitdehnung): bewegte Uhren gehen relativ zu einer ruhenden Uhr langsamer. Diese Zeitdehnung wird mit Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit immer größer. Makroskopische Uhren lassen sich aber bisher nur auf kleine Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, sodass damit eine präzise Messung der Zeitdilatation noch nicht möglich ist.

Abhilfe schaffen spezielle Atomuhren: schnelle Ionenstrahlen, die mittels Laserspektroskopie "abgelesen" werden. Die Zeitdehnung beeinflusst nämlich auch den - aus dem Alltag bei Schallwellen bekannten - Dopplereffekt, der zu einer Verschiebung der Frequenz eines von einem bewegten Objekt ausgesandten Lichtstrahls führt. Eine präzise Messung dieser Frequenzänderung erlaubt deshalb eine präzise Bestimmung der Zeitdehnung und stellt damit auch gleichzeitig einen empfindlichen Test zur Gültigkeit der Speziellen Relativitätstheorie dar.

"Unsere Uhren waren Lithiumionen (7Li+), in denen wir zwei über einen gemeinsamen Zustand gekoppelte Übergänge mit Lasern anregten und die Fluoreszenz beobachteten", erläutert Dirk Schwalm, emeritierter Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und einer der verantwortlichen Experimentatoren. Die beiden Laserstrahlen liefen mit oder entgegen dem Lithiumionenstrahl, der im Speicherring ESR des GSI Helmholtzzentrums in Darmstadt mit 33,8 Prozent der Lichtgeschwindigkeit kreiste.

"Wir mussten 'nur' zwei Frequenzen präzise bestimmen, nämlich die für simultane Resonanz erforderlichen dopplerverschobenen Frequenzen der beiden Laserstrahlen, da die beiden Übergangsfrequenzen in ruhenden Lithiumionen bereits aus früheren Messungen hinreichend genau bekannt waren. Wenn Einstein recht hat, muss das Produkt der beiden Laserfrequenzen geteilt durch das Produkt der zwei Ruhefrequenzen gleich eins sein", erläutert Schwalm die Eleganz der Methode.

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Zur Bestimmung der dopplerverschobenen Frequenzen kam Doppelresonanz-Spektroskopie zum Einsatz. Dazu stellten die Physiker die Frequenz eines der Laser auf die dopplerverschobene Frequenz einer der beiden sogenannten Hyperfeinstruktur-Übergänge in dem 7Li+-Ion ein. Den anderen Laser stimmten sie über die dopplerverschobene Frequenz des anderen Hyperfeinstruktur-Übergangs ab.

Bei Resonanz werden Lithiumionen mit genau definierter Geschwindigkeit über beide spektroskopischen Äste hin- und hergeschaukelt. Das führt zur Emission von Fluoreszenzlicht, das senkrecht zur Flugrichtung der Ionen beobachtet werden kann, während Ionen mit leicht abweichender Geschwindigkeit "dunkel gepumpt" werden und so die Messung nicht beeinträchtigen.

Das Ergebnis bestätigt die Einstein‘sche Vorhersage auf zwei Milliardstel genau, rund viermal genauer als im Vorgängerexperiment, das am Heidelberger Testspeicherring bei 6,4 Prozent der Lichtgeschwindigkeit und mit einer abweichenden spektroskopischen Methode durchgeführt worden war.

Das Grundprinzip der Experimente hat Einstein selbst schon vorgeschlagen. Erstmals realisiert wurde es 1938 von Ives und Stillwell, die so die Zeitdehnung mit einprozentiger Genauigkeit nachweisen konnten. Der große Vorteil dieses Prinzips ist der direkte und absolute Zugang zur Zeitdehnung ohne zusätzliche Annahmen.

Von Bedeutung sind diese immer genaueren Tests der Relativitätstheorie und der ihr zugrunde liegenden Lorentzinvarianz insbesondere in Hinblick auf eines der größten Ziele der gegenwärtigen theoretischen Physik, der Vereinigung von Quantentheorie und Allgemeiner Relativitätstheorie.

Über die aktuellen Messungen berichten die Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

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Links im WWW
Max-Planck-Institut für Kernphysik
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