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Symmetrie der Raumzeit getestet
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
astronews.com
14. März 2019
Einstein formulierte in seiner Speziellen
Relativitätstheorie die These, dass die Lichtgeschwindigkeit immer und unter
allen Bedingungen gleich ist. Doch diese Gleichförmigkeit der Raumzeit könnte
nach theoretischen Modellen der Quantengravitation für Teilchen nicht gelten.
Deshalb haben Physiker nun mit genauen Atomuhren nachgemessen - mit eindeutigem
Ergebnis.
Der Versuchsaufbau der Forscher (Ausschnitt). Bild:
PTB [Großansicht] |
Es ist eines der berühmtesten historischen Physik-Experimente: Michelson und
Morley zeigten schon 1887 mithilfe eines drehbar gelagerten Interferometers, mit
dem sie die Lichtgeschwindigkeit entlang zweier senkrecht zueinander stehender
optischer Achsen verglichen, was Einstein später theoretisch formulierte. Es
wurde zu einer Grundaussage seiner Speziellen Relativitätstheorie: Die
Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Raumrichtung immer gleich.
Nun kann man fragen: Gilt diese nach Hendrik Antoon Lorentz benannte
Symmetrie des Raumes auch für die Bewegung materieller Teilchen, oder gibt es
Richtungen, entlang derer sie sich bei gleicher Energie schneller oder langsamer
bewegen? Insbesondere für hohe Energien der Teilchen sagen theoretische Modelle
der Quantengravitation eine Verletzung der Lorentz-Symmetrie vorher.
Mit zwei Atomuhren wurde jetzt ein Experiment durchgeführt, um diese
Fragestellung mit hoher Präzision zu untersuchen. Die Frequenz dieser Atomuhren
wird jeweils von der Resonanzfrequenz eines einzelnen, in einer Falle
gespeicherten Yb+-Ions gesteuert. Während die Verteilung der Elektronen des Yb+-Ions
im Grundzustand kugelsymmetrisch ist, befinden sich die Elektronen im angeregten
Zustand in einer deutlich elongierten Wellenfunktion und bewegen sich damit
hauptsächlich entlang einer Raumrichtung.
Die Ausrichtung der Wellenfunktion wird durch ein in der Uhr angelegtes
Magnetfeld bestimmt und wurde für beide Uhren etwa senkrecht zueinander gewählt.
Die Uhren sind im Labor fest montiert und drehen sich gemeinsam mit der Erde
einmal am Tag (genauer: einmal in 23,9345 Stunden) relativ zu den Fixsternen.
Eine Abhängigkeit der Elektronengeschwindigkeit von der Orientierung im Raum
würde sich daher als periodisch mit der Erdrotation auftretende
Frequenzdifferenz zwischen beiden Atomuhren zeigen.
Um einen solchen Effekt klar von möglichen technischen Einflüssen
unterscheiden zu können, wurden die Frequenzen der Yb+-Uhren über mehr als 1000
Stunden verglichen. Es wurde dabei keine Veränderung der Uhren zueinander für
den zugänglichen Bereich von Periodendauern von wenigen Minuten bis zu 80
Stunden beobachtet. Für die theoretische Interpretation und Rechnungen zur
Atomstruktur des Yb+-Ions hat das PTB-Team mit theoretischen Physikern von der
University of Delaware in den USA zusammengearbeitet.
Die aktuellen Resultate verschärfen nun die von Forschern der Universität
Berkeley 2015 mit Ca+-Ionen gesetzten Grenzen um etwa einen Faktor 100. Im
Mittel über die gesamte Messzeit zeigten beide Uhren eine relative
Frequenzabweichung von weniger als 3 mal 10–18. Dies bestätigt die
vorher abgeschätzte kombinierte Unsicherheit der Uhren von 4 mal 10–18
und ist ein wichtiger Fortschritt in der Charakterisierung von optischen
Atomuhren auf diesem Genauigkeitsniveau. Potenziell zeigen diese Uhren erst nach
etwa zehn Milliarden Jahren eine Differenz von einer Sekunde an.
Seine Ergebnisse hat das Team in der aktuellen Ausgabe von Nature
veröffentlicht.
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