Bewegung hält auch Atome jung

Albert Einsteins Aussagen sind jetzt abermals auf den Prüfstand gestellt worden. Dieses Mal ist es die relativistische Dehnung der Zeit, die bewegte Uhren langsamer ticken lässt.

Von Rainer Scharf

Bewegte Uhren gehen langsamer - das verkündete kühn Albert Einstein 1905 als eine Konsequenz seiner gerade formulierten Speziellen Relativitätstheorie. Zwei Jahre später schlug der berühmte Physiker vor, den Effekt der relativistischen Zeitdehnung - besser bekannt als Zeitdilatation - an schnell fliegenden Atomen nachzuweisen. Seine Idee war es, Atome anzuregen, so dass diese in Schwingungen geraten und dadurch Licht mit einer charakteristischen Frequenz abstrahlen. Die Schwingungen sollten dem Pendelschlag einer Uhr entsprechen. Je schneller sich ein Atom bewegte, so die Vorstellung Einsteins, desto langsamer sollte die innere Uhr des Teilchens ticken und desto kleiner würde die Frequenz des ausgesandten Lichts sein. Inzwischen haben zahlreiche Experimente Einsteins Vorhersage bestätigt, etwa unter Zuhilfenahme präziser Atomuhren, die in den Satelliten des Navigationssystems GPS um die Erde kreisen. Jetzt hat eine internationale Forschergruppe die relativistische Zeitdehnung dem bislang präzisesten Test unterzogen.
 

Bei dem jüngsten Experiment ließ man Lithiumionen mit hoher Geschwindigkeit in einem Speicherring mit einem Umfang von 55 Metern kreisen. Sascha Reinhardt und Guido Saathoff vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und ihre Kollegen bestrahlten die einfach geladenen Atome aus mehreren Richtungen mit Laserlicht, das die innere Uhr der Teilchen in Gang setzte und diese zum Leuchten brachte. Anders als bei ruhenden Atomen ändert sich die zur Anregung erforderlichen Frequenz des Lichts, wenn die Teilchen in Bewegung sind. Ursache sind einerseits der Doppler-Effekt - er bewirkt unter anderem, dass ein Martinshorn höher klingt, wenn es sich nähert, und tiefer, wenn es sich entfernt - und andererseits die Zeitdilatation.

Der Doppler-Effekt führte bei den umlaufenden Ionen dazu, dass man die Frequenz des den Atomen entgegenkommenden Laserlichts etwas kleiner, die des parallel zu ihnen laufenden Laserlichts etwas größer wählen musste als die Anregungsfrequenz von ruhenden Atomen, damit die getroffenen Atome in Resonanz gerieten. Aufgrund der Zeitdilatation war es obendrein erforderlich, die Frequenzen beider Laserstrahlen noch zusätzlich ein wenig zu verringern.

Zur präzisen Bestimmung des Zeitdilatation-Effekts gingen die Forscher schrittweise vor. Zunächst bestimmten sie die durch den Doppler-Effekt und die Zeitdehnung verschobene Resonanzfrequenz. Die Messungen führten sie an "langsamen" und "schnellen" Atomen aus, die mit drei Prozent beziehungsweise 6,4 Prozent der Lichtgeschwindigkeit umliefen. In beiden Fällen streuten die Geschwindigkeiten der Atome und damit auch die Anregungsfrequenzen erheblich um einen Mittelwert. Um die Anregungsfrequenzen der Atome möglichst genau ermitteln zu können, griffen die Forscher zu einem erprobten Verfahren - der sogenannten Sättigungsspektroskopie. Dabei ändert sich die Intensität des Fluoreszenzlichts in charakteristischer Weise, wenn das eingestrahlte Laserlicht und die Atome in Resonanz geraten sind.

Die Forscher um Reinhardt stellten den parallel laufenden Laserstrahl fest auf eine Frequenz ein, bei der möglichst viele Atome einer bestimmten Geschwindigkeit angeregt wurden und fluoreszierten. Anschließend variierten sie behutsam die Frequenz des entgegenkommenden Laserstrahls, der Atome einer anderen Geschwindigkeit anregte. Bei einer bestimmten Frequenz regten beide Laserstrahlen dieselben Atome an. Die Photonen der beiden Laserstrahlen mussten nun plötzlich um die gleiche Ionensorte konkurrieren. Als Folge verringerte sich die Zahl der leuchtenden Atome, und die Intensität des von ihnen abgestrahlten Lichtes nahm merklich ab.

Die Forscher haben die Werte der mit der Sättigungsspektroskopie scharf eingestellten Anregungsfrequenzen für die "langsamen" und für die "schnellen" Atome anschließend mit hoher Genauigkeit bestimmt. Dazu bedienten sie sich einer als Frequenzkamm bezeichneten Technik. Als Referenz diente die bekannte Frequenz einer Cäsiumatomuhr. Hier trugen Theodor Hänsch, der für die Entwicklung des Frequenzkamms 2005 den Nobelpreis erhalten hatte, und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching wesentlich zum Gelingen des Experiments in Heidelberg bei.

Im letzten Schritt zog man eine Formel der Speziellen Relativitätstheorie heran. Ihr zufolge muss der (geometrische) Mittelwert der beiden Anregungsfrequenzen der bewegten Lithium-Atome gleich der Anregungsfrequenz des Atoms in Ruhe sein, falls die Zeitdilatation Gültigkeit hat. Wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature Physics" berichten, erhielten sie für das geometrische Mittel im Fall der langsamen Ionen 546 466 918 577 Kilohertz und im Fall der schnellen Ionen 546 466 918 493 Kilohertz. Die beiden Werte stimmen im Rahmen der Fehler auf neun Dezimalstellen miteinander überein und sind fünfmal so genau wie der vor ein paar Jahren gemessene Wert der Resonanzfrequenz für das ruhende Ion.

Die Wissenschaftler haben damit die Zeitdilatation so genau wie keine andere Forschergruppe zuvor ermittelt und dadurch zeigen können, dass der Effekt im Einklang mit den Voraussagen der Speziellen Relativitätstheorie ist. Mit dem Ergebnis werden auch solchen Theorien enge Schranken gezogen, die Einsteins Relativitätstheorie modifizieren wollen oder die die Existenz eines definierten kosmischen Bezugssystems annehmen.

Text: F.A.Z., 21.11.2007, Nr. 271 / Seite N2