Relativitätstheorie: Zeitdehnung präzise nachgemessen

astronews.com Redaktion

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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. (17. September 2014)

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julian apostata

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Da ich nach längerer Pause mal wieder bei Mahag aktiv bin, möchte ich diesen Artikel mal dort präsentieren.

http://www.mahag.com/neufor/viewtopic.php?f=6&t=676

Das Problem dabei ist nur: ich verweise ungern auf Links, die ich nicht selbst verstehe. Deswegen möchte ich zunächst mal nur eine einfache Verständnisfrage äußern.

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.

Pendelt das Ion also zwischen zwei Hyperfeinstrukturübergängen (angeregt durch die 2 Laser) hin und her und sendet das Ion dabei Licht quer zu seiner Bewegungsrichtung aus?

Die Frequenz f_0 bei einem ruhenden Ion ist bekannt. Die Frequenz (im Bild grün dargestellt) bei einem bewegten Ion ist laut Theorie (transversaler Dopplereffekt)

f_0*sqrt(1-0.338²)~f_0*0.9411

Bevor ich weitere Fragen stelle, sind meine Annahmen bis hierher korrekt?
 

Ich

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Da ich nach längerer Pause mal wieder bei Mahag aktiv bin, möchte ich diesen Artikel mal dort präsentieren.
Nein, möchtest du nicht.
Pendelt das Ion also zwischen zwei Hyperfeinstrukturübergängen (angeregt durch die 2 Laser) hin und her und sendet das Ion dabei Licht quer zu seiner Bewegungsrichtung aus?
Das scheint so zu sein, ja.
Die Frequenz f_0 bei einem ruhenden Ion ist bekannt. Die Frequenz (im Bild grün dargestellt) bei einem bewegten Ion ist laut Theorie (transversaler Dopplereffekt)

f_0*sqrt(1-0.338²)~f_0*0.9411
Es gibt keine interessierende Frequenz f0, und die Frequenz beim bewegten Ion wird gar nicht gemessen.
Ich sag's mal so: Nach überfliegen des Preprints kann ich dir nach wie vor nicht erklären, wie das Experiment prinzipiell funktioniert. Es wird ein Laser fest eingestellt und der zweite relativ zu einer bekannten Frequenz fein abgestimmt, bis Lumineszenz auftritt. OODR spectroscopy scheint dann das Schlüsselwort zu sein, sagt mir aber nichts.

Warum erklärst du denen stattdessen nicht, dass v=dx/dt oder so was. Das sind kognitionsgestörte Psychos da, es ist egal, was du mit ihnen diskutierst.
 

Bernhard

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Hallo JA,

nachdem die grüne Welle senkrecht zur Flugrichtung des Ions verläuft, müsste das die unverschobene Frequenz zwischen den beiden Zuständen sein. Man hat somit einen ziemlich unmittelbaren Vergleich zwischen den beiden dopplerverschobenen Frequenzen und der Frequenz im Ruhesystem. Für die Teilnehmer bei Mahag wird das natürlich trotzdem alles Unsinn sein.

Ich gehe einfach mal davon aus, dass in dem Versuch "nur" die Formel für die relativistische Dopplerverschiebung getestet wurde und das mit sehr großer Präzision.
 

Ich

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Aber in der Grafik ist doch eine grüne Welle eingezeichnet, die zu einem Detektor führt. Wie soll ich denn das interpretieren?
Das ist das Licht, dessen Intensität (nicht Frequenz!) sie messen. Die ist dann am größten, wenn die abstimmbare zweite Laserfrequenz passt. Und die ist auch die Messgröße.
 

ralfkannenberg

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Da ich nach längerer Pause mal wieder bei Mahag aktiv bin, möchte ich diesen Artikel mal dort präsentieren.
Hallo Julian,

das hier darfst Du bedenkenlos als Kompliment auffassen.

Deine Wortwahl "Weltraum..." indes liegt auf einer persönlichen Ebene, die Du nun wirklich nicht nötig hast. Das Formulieren solcher "Wertschätzungen" kannst Du den dortigen Usern überlassen, die können sowas erstens besser als Du und zweitens sehe ich auch keinerlei Notwendigkeit, denen in dieser Hinsicht irgendwie nachzueifern.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

Ich

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Gerade gefunden: http://de.wikipedia.org/wiki/Ives-Stilwell-Experiment . Der Punkt "schnell bewegte Uhren" beschreibt, denke ich, genau die im Artikel vorgestellte Messmethode.
MfG
Nicht ganz. Aus dem Preprint:
Schwalm schrieb:
Contrary to saturation spectroscopy where a small Lamb dip has to be identi ed within a large fluorescence background, OODR produces a positive peak on a small background
Und da müsste ich mich einlesen, um dann JA zu erklären, was da gemacht wird, der das dann den Rentnern im Mahag erklärt. Die noch nicht mal die Lichtuhr verstehen.

Ein wenig erfolgversprechender Plan, denke ich. Man kann seine Zeit auch sinnvoller totschlagen - Grashalme im Olympiastadion zählen oder so.
 

ralfkannenberg

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Und da müsste ich mich einlesen, um dann JA zu erklären, was da gemacht wird, der das dann den Rentnern im Mahag erklärt.
Hallo Ich,

wie wäre es, wenn man das so macht, einfach ohne die letzte Aktivität, d.h. ohne Mahag. Ich denke, da hätten auch andere User vom AS (z.B. meine Wenigkeit) etwas davon.

Also natürlich nur, wenn Du ohnehin beabsichtigst, Dich in diese Thematik einzulesen.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

julian apostata

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Jetzt mal noch was zum Experiment. Wenn ich ein ruhendes Lithium habe so ist beim linken Laser eine Frequenz f_1 und beim rechten Laser die Frequenz f_2 nötig um den beschriebenen Effekt zu bewirken.

Bewegt sich nun das Ion mit v=0.338*c nach rechts, so muß man bei den Lasern
f_1*sqrt[(c+v)/(c-v)]=f_1*1.422
f_2*sqrt[(c-v)/(c+v)]=f_2*0.733 einstellen

Weil dann kommen im Ruhesystem des Ions wieder f_1 und f_2 an.

„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.“

War es vielleicht auch Ziel des Experiment, aufzuzeigen, dass das Produkt der Laserfrequenzen im Ruhesystem der Laser dasselbe ist, wie das Frequenzprodukt im Ruhesystem des Ions?

Und wäre ein solches Ergebnis möglich, wenn das Licht einen „Äther“ bräuchte um sich fortzupflanzen?

http://de.wikipedia.org/wiki/Doppler-Effekt#Beobachter_und_Signalquelle_bewegt

Erhielte man da nicht laut (3) und (4) folgendes Ergebnis?

$$f_1\cdot f_2\cdot\frac{c+v_b}{c-v_s}\cdot\frac{c-v_b}{c+v_s}=f_1\cdot f_2\cdot\frac{c^2-v_b^2}{c^2-v_s^2}$$

Je größer die Ionengeschwindigkeit, desto kleiner also das Frequenzprodukt?

Und was könnte ein Mahagtroll darauf entgegnen, außer einer Verschwörung der Physikmafia?
 

Bernhard

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War es vielleicht auch Ziel des Experiment, aufzuzeigen, dass das Produkt der Laserfrequenzen im Ruhesystem der Laser dasselbe ist, wie das Frequenzprodukt im Ruhesystem des Ions?
Korrekt. Siehe Gleichung (2) aus http://arxiv.org/abs/1409.7951 .

Erhielte man da nicht laut (3) und (4) folgendes Ergebnis?
Korrekt.

Und was könnte ein Mahagtroll darauf entgegnen, außer einer Verschwörung der Physikmafia?
Entscheidend ist vermutlich die Akzeptanz der Zeitdilatation. Aber der Punkt ist doch, dass ein Troll eben jedes beliebige Argument bringen kann.
 

julian apostata

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http://arxiv.org/pdf/1409.7951.pdf

Mithilfe eines persönlichen erstellten Wörterbuchs auf meinem Rechner hab ich es jetzt bis zu Seite 3 geschafft.

f_1=546 455 143.0
f_2=546 474 960.7

f_a=384 225 534.98 (gegenläufiger Laser)
f_p=777 210 326.98 (mitläufiger Laser)

$$\\f_1=f_a\cdot\sqrt{\frac{c+v}{c-v}}\qquad f_2=f_p\cdot\sqrt{\frac{c-v}{c+v}}\qquad\frac{f_1}{f_a}=\frac{f_p}{f_2}=\sqrt{\frac{c+v}{c-v}}\\\\\\\frac{v}{c}=\frac{f_1^2-f_a^2}{f_1^2+f_a^2}=\frac{f_p^2-f_2^2}{f_p^2+f_2^2}$$

Damit Frequenzen zugleich f_1 und f_2 ankommen, muss das Ion mit einer der beiden Geschwindigkeiten unterwegs sein.

.3383451075177986*c
.3383451101291776*c

Aber spätestens auf Seite 3 muss ich kapitulieren.

All ions, except those resonant
with the fixed-frequency laser, are pumped dark after a
few absorption and emission cycles. The resonance appears
due to the continuous back-and-forth pumping of
the ions between the two ground states when the lasers
resonantly drive both legs of the for the same velocity
Class

Was genau sind jetzt diese legs? Hat das was mit den p und s zuständen ein paar Zeilen weiter oben zu tun? Da bewirken aber f_1 und f_2 nur ein Springen von s auf p und nicht hin und her.

Und was heißt: „dunkel pumpen“? Erhält das Ion dabei einen Zustand, der kein Grundzustand ist?

Atomhüllenpysik ist halt nicht mein Spezialgebiet.:(

Und was ist eine velocity class? Sind das die beiden Geschwindigkeiten, die ich ermittelt habe?
 

Dgoe

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Was genau sind jetzt diese legs?
Hallo Julian,

mit leg dürfte hier Abschnitt, Strecke, Teilstrecke (evtl. auch Schenkel eines Dreiecks) gemeint sein.

Und was heißt: „dunkel pumpen“? Erhält das Ion dabei einen Zustand, der kein Grundzustand ist?
Pumped light ist Pumplicht (siehe Energiequelle für Laser). Hm, mit dark ist vielleicht der Zwischenzustand gemeint, hab keine Ahnung, nur rein sprachlich ist pumped out z.B. leergepumpt...

The resonance appears due to the continuous back-and-forth pumping of the ions between the two ground states
Ungefähr so zu verstehen:
Die Resonanz erscheint auf Grund des ständigen Hin-und-her-Pumpens der Ionen zwischen den zwei Grundzuständen.

Und was ist eine velocity class?
Die Geschwindigkeitsklasse, was auch immer damit gemeint ist.

Dieser Teil allerdings:
when the lasers resonantly drive both legs of the for the same velocity Class
speziell davon dies hier
both legs of the for the same
klingt nach einem vergessenen Substantiv nach dem ersten 'the'. Vielleicht 'triangle'?
EDIT
Ich habe das Paper nun mal gelesen. Das wurde hier nicht korrekt zitiert. Da steht:
The Λ resonance appears due to the continuous back-and-forth pumping of the ions between the two ground states when the lasers resonantly drive both legs of the Λ for the same velocity Class β[SUB]0.[/SUB]
Das Substantiv war also ein Lambda (Λ). Und velocity class (warum hier einmal Class groß geschrieben wurde, bleibt wohl ein Geheimnis) wird hier näher beschrieben:
To reach sub-MHz accuracy, we single out a narrow velocity class around a central velocity β[SUB]0[/SUB] for the Doppler shift measurements.
Das würde ich mit einem "schmalen/begrenzten Geschwindigkeitsbereich um eine zentrale Geschwindigkeit β[SUB]0[/SUB]" übersetzen. (Ha! Index 0 kommt mir bekannt vor!)

Gruß,
Dgoe
 
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Dgoe

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+
oben ein EDIT hinzugefügt.

Aus dem Kontext verstehe ich, dass mit "ions pumped dark" jene Ionen gemeint sind, die während der dunklen Phase des Pumplichts ... ähm, irgendetwas machen. Ist ja auch von dark-count-rate die Rede.

@ Julian: Bin Dir wahrscheinlich auch keine große Hilfe, aber Du kannst auch Google translate einsetzen, und manchmal dann zwischen schlecht übersetzten Zeilen Dir gegebenenfalls immer noch einen Reim draus machen.

Gruß,
Dgoe
 
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