Anzeige
 Home  |  Nachrichten  | Frag astronews.com  | Bild des Tages  |  Kalender  | Glossar  |  Links  | Forum  | Über uns    
astronews.com  
Nachrichten

astronews.com
astronews.com

Der deutschsprachige Onlinedienst für Astronomie, Astrophysik und Raumfahrt

Home  : Nachrichten : Forschung : Artikel [ Druckansicht ]

 
ATOMUHREN
Naturkonstanten bleiben konstant
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)
astronews.com
8. Januar 2021

Einige moderne Stringtheorien, die beispielweise eine Erklärung für die Dunkle Materie liefern könnten, stellen die Konstanz von Naturkonstanten infrage. Nun hat ein Forschungsteam mithilfe von hochgenauen Atomuhren nachgemessen: Trotz einer 20-fach verbesserten Genauigkeit fanden sie keinen Hinweis dafür, dass die Konstanten nicht konstant sind.

Vergleich

Vergleiche zwischen Ytterbium- und Cäsium-Atomuhren an verschiedenen Orten (x) und zu verschiedenen Zeiten (t) untermauern die Konstanz von Naturkonstanten. Bild: PTB  [Großansicht]

Es klingt eigentlich trivial: Eine Naturkonstante sollte immer den gleichen Wert besitzen, unabhängig davon, zu welcher Zeit oder an welchem Ort sie bestimmt wird. Auch Einsteins berühmte Allgemeine Relativitätstheorie nutzt diese grundlegende Annahme, die als lokale Positionsinvarianz (LPI) bekannt ist. Mit einer jetzt vorgestellten Studie wird die Gültigkeit der LPI mit einem deutlich verbesserten experimentellen Test nun untermauert.

Motiviert sind die Untersuchungen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) durch moderne Stringtheorien, die LPI-Verletzungen, zum Beispiel zeitliche Variationen von Naturkonstanten, vorhersagen. Auf der Suche nach einer experimentellen Bestätigung solcher "neuen Physik" nutzten die Forschenden der PTB den Vergleich ihrer hochgenauen Atomuhren und konnten Ergebnisse früherer Experimente bis zu 20-fach verbessern. Der Ausgang eines Experiments, das nicht von der Gravitation abhängt, sollte unabhängig davon sein, zu welcher Zeit und an welchem Ort es ausgeführt wird.

Grund für die Beschäftigung mit neuen theoretischen Modellen über den Aufbau unserer Welt ist, dass das bisherige Verständnis der Physik mancherorts an seine Grenzen stößt, zum Beispiel bei der Beschreibung von Dunkler Materie oder dem Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im All. Moderne Theorien, die sich um eine Beschreibung dieser Phänomene bemühen, sagen Verletzungen der LPI voraus, welche sich beispielsweise in Veränderungen von Naturkonstanten manifestieren könnten.

Anzeige

Bekannte Naturkonstanten sind etwa die Feinstrukturkonstante α, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung beschreibt, und das Massenverhältnis von Proton und Elektron µ. Diese Größen gehen in den Aufbau aller Atome und Moleküle ein. Sie beeinflussen die atomaren Energieskalen und damit auch Energieunterschiede zwischen atomaren Zuständen, die in Atomuhren als Referenzfrequenz genutzt werden. Die Empfindlichkeit der Energieunterschiede gegenüber den Naturkonstanten hängt stark vom jeweiligen atomaren System ab.

So verändert sich die Frequenz der Cäsium-Uhr, mit der die Basiseinheit der Zeit - die  Sekunde - realisiert wird, bei einer Variation von µ und von α. Frequenzen optischer Atomuhren zeigen keine Abhängigkeit von µ, können aber zur Detektion von α-Variationen genutzt werden. Besonders geeignet hierfür erscheint das Ytterbium-Ion, das zwei optische Referenzübergänge mit stark unterschiedlicher Abhängigkeit von α besitzt. Ein kombinierter Vergleich von Ytterbium- und Cäsium-Uhren erlaubt somit eine Suche nach Veränderungen sowohl von α als auch von µ.

Diesem Ansatz folgend verglichen Forscher der PTB ihre hochgenauen Atomuhren über einen Zeitraum von mehreren Jahren und stellten fest, dass Änderungen im Wert von α (α=0,007297...) pro Jahr höchstens ab der 21. Nachkommastelle auftreten können. Dies ist die erste signifikante Verbesserung der Grenze einer möglichen zeitlichen Variation von α seit über zwölf Jahren, mit einer um den Faktor 20 höheren Genauigkeit. Für Änderungen von µ wurde das bisherige Limit um den Faktor 2 verbessert.

Neben der Einschränkung einer potenziellen zeitlichen Veränderung begrenzen die Daten ebenfalls eine mögliche räumliche Abhängigkeit der Naturkonstanten vom Gravitationspotential der Sonne auf der Erdumlaufbahn. Im Rahmen der Messungen wurde außerdem die Frequenz einer der beiden Ytterbium-Uhren mit höchster Präzision bestimmt: Die bei 642 x 1012 Hz liegende Frequenz wurde mit einer Genauigkeit von 0,08 Hz ermittelt und stellt die bisher genaueste Messung einer optischen Frequenz mit Cäsium-Uhren dar.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters  erschienen ist.

Forum
Naturkonstanten bleiben konstant. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
Naturkonstanten: Neue Bestätigung für Konstanz - 21. November 2014
Astroteilchenphysik: Radioaktive Zerfallsraten sind konstant - 2. Oktober 2014
Radioastronomie: Naturkonstante im fernen Universum bestimmt - 20. Juni 2008
Naturkonstanten: Immer konstant oder nicht? - 27. Oktober 2004
Links im WWW
Lange et al.: Improved Limits for Violations of Local Position Invariance from Atomic Clock Comparisons, Phys. Rev. Lett. 126, 011102 (2021)
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
In sozialen Netzwerken empfehlen
 
 
Anzeige
astronews.com 
Nachrichten Forschung | Raumfahrt | Sonnensystem | Teleskope | Amateurastronomie
Übersicht | Alle Schlagzeilen des Monats | Missionen | Archiv
Weitere Angebote Frag astronews.com | Forum | Bild des Tages | Newsletter
Kalender Sternenhimmel | Startrampe | Fernsehsendungen | Veranstaltungen
Nachschlagen AstroGlossar | AstroLinks
Info RSS-Feeds | Soziale Netzwerke | astronews.com ist mir was wert | Werbung | Kontakt | Suche
Impressum | Nutzungsbedingungen | Datenschutzerklärung | Cookie-Einstellungen
     ^ Copyright Stefan Deiters und/oder Lieferanten 1999-2020. Alle Rechte vorbehalten.  W3C
Diese Website wird auf einem Server in der EU gehostet.

© astronews.com / Stefan Deiters und/oder Lieferanten 1999 - 2020
Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigung nur mit Genehmigung.


URL dieser Seite: https://www.astronews.com:443/news/artikel/2021/01