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StartseiteForschung aktuellDie Rotverschiebung im Schwerefeld30.06.2015

Einstein auf dem Prüfstand (5) Die Rotverschiebung im Schwerefeld

1911 machte Einstein eines seiner Gedanken-Experimente: Ein Lichtteilchen trifft im freien Fall auf den Boden. Laut Energieerhaltungssatz müsste es während des Weges kinetische Energie tanken und beim Aufschlag eine etwas höhere Frequenz haben als zu Beginn seiner Reise. Andersherum müsste sich die Frequenz eines Lichtteilchens verringern, wenn es vom Boden nach oben fliegt - und damit der Gravitationskraft entgegen. Diese sogenannte Rotverschiebung im Schwerefeld wurde zu einer der wichtigsten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915.

Von Ralf Krauter

Der Einsteinturm am Telegraphenberg in Potsdam (Frank Grotelüschen)
Der sogenannte Einstein-Turm - ein Turmteleskop auf dem Telegrafenberg bei Potsdam - wurde eigens gebaut, um die Rotverschiebung der Spektrallinien im Schwerefeld der Sonne nachzuweisen. (Frank Grotelüschen)

Das Jefferson Building auf dem Campus der Universität Harvard ist ein mächtiger Backsteinbau. Das 1884 errichtete Gebäude besitzt einen 22,6 Meter hohen Turm, der 1960 zum Schauplatz eines berühmten Experimentes wurde: Das Pound-Rebka-Experiment.

"Robert Pound war 1960 Physikprofessor in Harvard, Glen Rebka war sein Doktorand. Gemeinsam wollten sie eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie testen, die bislang noch keiner überprüft hatte, erklärt Clifford Will, Physikprofessor und Einstein-Experte von der Universität Florida."

"Sie verwendeten zwei Proben eines radioaktiven Isotops, das Gammastrahlen aussendet. Eine Probe platzierten Sie an der Spitze des Turms, die andere am Fuß. Dann ließen Sie die Gammastrahlen einmal von oben nach unten laufen und einmal von unten nach oben und konnten messen: Die Frequenz der Lichtteilchen änderte sich auf dem Weg durchs Schwerefeld."

Liefen die Gammastrahlen der Gravitationskraft entgegen nach oben, verloren sie einen Tick ihrer Energie, sodass ihre Frequenz an der Spitze des Turmes etwas niedriger war als zu Beginn ihrer Reise. Ihre Wellenlänge hatte sich ein wenig vergrößert, was im Fachjargon Rotverschiebung genannt wird. Und die Stärke dieser Rotverschiebung im Schwerefeld entsprach exakt der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie. Albert Einstein selbst hatte den Nachweis dieses Effekts als einen der fundamentalen Tests seiner Theorie vorgeschlagen.

"Erste Experimente dazu gab es bereits 1917. Damals versuchte man, die Rotverschiebung von Spektrallinien im Schwerefeld der Sonne zu messen. Leider ohne Erfolg, denn der relativistische Effekt ist so winzig, dass man viel genauer als damals über die Prozesse auf der Sonnenoberfläche Bescheid wissen muss, um ihn entdecken zu können. Das war ein Rückschlag für Einsteins Theorie, dass dieser Effekt nicht gleich beobachtet werden konnte."

Solare Störeffekte vereiteln vorerst den finalen Beweis

Auch ein zweiter Anlauf schlug fehl. Das 1924 fertiggestellte Turmteleskop auf dem Telegrafenberg bei Potsdam, heute bekannt als Einstein-Turm, wurde eigens gebaut, um die Rotverschiebung der Spektrallinien im Schwerefeld der Sonne nachzuweisen. Doch auch hier vereitelten solare Störeffekte den finalen Beweis. Den lieferten dann erst Robert Pound und Glen Rebka, mit ihrem ausgebufften Experiment im Turm des Jeffersons Buildings, in dem sie die Rotverschiebung von Lichtwellen im Gravitationsfeld der Erde detektierten.

"Im ersten Anlauf, 1960, bestätigten sie Einsteins Vorhersage mit einer Genauigkeit von zehn Prozent. Fünf Jahre später lag die Genauigkeit bei einem Prozent. Das war der erste ernsthafte Test. Und es war das erste Mal, dass die Allgemeine Relativitätstheorie mit Präzisionsmesstechnik überprüft wurde."

Laut Theorie ergibt sich bei Lichtteilchen, die eine Höhendifferenz von 22,6 Metern durchlaufen, eine Frequenzverschiebung in der Größenordnung von 10 hoch minus 15. Das heißt, das Schwerefeld ändert die Lichtfrequenz um den Millionstel Bruchteil eines Milliardstels. Um diesen winzigen Unterschied messen zu können, machten sich die Experimentatoren die Arbeiten des Heidelberger Max-Planck-Forschers Rudolf Mößbauer zunutze. Der hatte 1959 entdeckt, dass Atomkerne in einem tiefgekühlten Kristallgitter Gammastrahlen einer exakt definierten Wellenlänge aussenden, wenn man sie anregt. Diese Lichtblitze wiederum können dann von einem zweiten baugleichen Kristall absorbiert werden.

"Pound und Rebka nutzten diesen Effekt. Und als Mößbauer 1961 den Physiknobelpreis bekam, hieß es in der Begründung: Der Mößbauer-Effekt habe neue Experimente zur Rotverschiebung im Schwerefeld ermöglicht. Die beiden Harvard-Forscher nutzten also wirklich die neueste Technologie, um winzige Frequenzänderungen präzise zu messen."

Um die Mößbauer-Resonanz beobachten zu können, mussten Pound und Rebka die Strahlenquelle am Fuß des Turms auf den Detektor unterm Dach zu bewegen. Und zwar exakt so schnell, dass der vom Martinshorn bekannte Doppler-Effekt die Frequenz der Gammastrahlen soweit erhöhte, dass ihre Rotverschiebung im Schwerefeld kompensiert wurde.

"Dazu bauten sie eine Hubvorrichtung, die die Probe am Fuß des Turms auf die Turmspitze zufahren ließ – und zwar mit etwa einem Millimeter pro Stunde, ganz gleichmäßig, ohne zu ruckeln. Das war sehr aufwendig. Aber Pound war ein berühmter Experimentator und gemeinsam mit seinem Doktoranden Rebka hat er es geschafft."

Die Rotverschiebung im Schwerefeld wurde inzwischen noch vielfach vermessen und immer genauer bestätigt. 1976 zum Beispiel das erste Mal mit einer Atomuhr an Bord eines Satelliten. Die Formeln für die Korrektur des relativistischen Effektes finden heute unter anderem Anwendung bei der Satellitennavigation. Blieben sie unberücksichtigt, würden die Uhren an Bord der GPS-Satelliten rasch nicht mehr synchron ticken - und die Empfänger ihrer Positionsdaten in die Irre führen.

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