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StartseiteForschung aktuellWenn Atomuhren in die Luft gehen28.07.2015

Einstein auf dem Prüfstand (9) Wenn Atomuhren in die Luft gehen

In den 1970ern wurden Atomuhren empfindlich genug, um eine besondere Vorhersage in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie zu überprüfen: die Zeitverzögerung im Schwerefeld. Einstein zufolge ticken Uhren auf einem Berg oder an Bord eines Flugzeugs ein bisschen schneller als eine baugleiche Uhr am Boden. Präzisionsexperimente mit fliegenden Atomuhren sollten den Effekt messen.

Von Ralf Krauter

Zu einem Rund-um-die-Welt-Flug gegen die Erdumdrehung mit transportablen hochpräzisen Uhren an Bord starteten am 4. Oktober 1971 in Washington der Physiker Dr. Joseph C. Hafele (l) von der Universität Washington und Dr. Richard Keating vom Washingtoner Marineobservatorium, hier bei ihrer Zwischenlandung in Frankfurt am Main am 5. Oktober. (picture alliance / dpa / Roland Witschel)
Zu einem Flug gegen die Erdumdrehung mit transportablen hochpräzisen Uhren an Bord starteten am 4. Oktober 1971 in Washington der Physiker Dr. Joseph C. Hafele (l) und Dr. Richard Keating (picture alliance / dpa / Roland Witschel)
Weiterführende Information

Raum trifft Zeit - 100 Jahre allgemeine Relativitätstheorie

Wiederholung des Hafele-Keating-Experimentes im Jahr 2010

"Around the world with atomic clocks: Observed relativistic time gains"
Joseph Hafele & Richard Keating, Science 177, 14. Juli 1972

"Relativity and Clocks"
Caroll O. Alley, Proceedings of 33d Annual Symposium on Frequency Control, 1979

Im Oktober 1971 startet in Washington D.C. eine Boeing 747 der Pan Am mit Ziel London. Auf den ersten Blick sieht alles nach Routine aus. Wären da nicht die beiden Männer in der Touristenklasse, die Anzug und Krawatte tragen und insgesamt vier Plätze gebucht haben: Zwei für sich und zwei für die Boxen mit wissenschaftlichem Gerät, die sie neben sich festgeschnallt haben. Joseph Hafele und Richard Keating, so heißen die beiden Physiker. Ihre Reisebegleiter sind vier Cäsium-Atomuhren.

"It was a famous experiment. They took off-the-shelf cesium atomic clocks. They put them on airplanes, they put them in seats - I presume economy class, not first class."

Clifford Will, Physikprofessor und Einstein-Experte an der University of Florida erinnert sich noch gut an das berühmte Experiment.

"Hafele und Keating protokollierten sorgfältig Höhe und Kurs der Maschine. Sie flogen zweimal rund um den Globus, einmal in östlicher Richtung, einmal in westlicher. Am Ende ihrer Reise verglichen Sie die Zeitanzeige der vier fliegenden Atomuhren mit baugleichen Uhren, die stationär am Boden geblieben waren, im US Naval Observatory. Die gemessene Zeitverschiebung entsprach exakt den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Das war schon eine sehr coole Demonstration, die klar belegte: In zehn Kilometern Höhe ticken die Uhren tatsächlich etwas schneller als am Boden."

Einen Tick schneller

Gravitative Rotverschiebung, so heißt der von Albert Einstein vorhergesagte Effekt, wonach Schwerefelder den Gang von Uhren verlangsamen. Laut Theorie sollte die Zeitdifferenz bei der Weltumrundung in westlicher Richtung 179 Nanosekunden betragen, also 179 Milliardstel einer Sekunde.

Direkt messen konnten Hafele und Keating diesen Wert allerdings nicht, denn er wurde von einem zweiten Effekt überlagert: Der relativistischen Zeitdehnung, die besagt, dass bewegte Uhren langsamer ticken als ruhende. Der speziellen Relativitätstheorie zufolge müssten sich beim Flug nach Westen, entgegen der Erdrotation, zusätzlich 96 Nanosekunden Zeitunterschied ergeben. Macht in der Summe 275 Nanosekunden. Der gemessene Wert von 273 Nanosekunden bestätigte diese Vorhersage eindrucksvoll, erklärt Professor Claus Lämmerzahl vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie der Universität Bremen:

"Das ist ja schon ein sehr seltsamer Effekt, dass die Zeit anders geht. Ob jetzt die Uhren auf dem Berg anders gehen als im Tal, ist schon gewöhnungsbedürftig. Aber nachdem die Atomuhren gebaut worden sind, hat man sofort gesehen, dass man solche Effekte sehen können müsste. Und dann haben die Leute sich auch sofort daran gemacht, entsprechende Experimente durchzuführen."

Da capo: Das Experiment geht in die Widerholung

Das Hafele-Keating-Experiment sorgte seinerzeit für Aufsehen. Da die Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis beim Flug nach Osten nicht ganz so gut ausfiel, gab es aber auch Zweifel an der Aussagekraft der Ergebnisse. Unter anderem, weil sich die Versuchsbedingungen an Bord einer Linienmaschine nicht so präzise kontrollieren lassen, wie es wünschenswert wäre. 1975, beim Maryland-Experiment vier Jahre später, gingen die Forscher um Professor Carroll Alley deshalb viel systematischer vor.

Um den störenden Effekt durch die Bewegung der Uhren zu minimieren, kam diesmal eine langsam fliegende Propeller-Maschine zum Einsatz, die 15 Stunden lang über einer Militärbasis kreiste. Und zwar je 5 Stunden lang auf drei genau definierten Höhenstufen über Grund. Den Gang der drei Atomuhren an Bord verglichen die Forscher ständig mit Uhren auf der Erde, indem sie Laserpulse zwischen Bodenstation und Flugzeug hin- und herlaufen ließen. Um Umwelteinflüsse abzuschirmen, waren die fliegenden Uhren in speziellen Behältern gekapselt. Nach 5 Messflügen à 15 Stunden stand fest: Die akkumulierte Gangdifferenz von 47,1 Nanosekunden entsprach genau den Erwartungen. Und das Tempo, mit dem die Uhren aus dem Takt liefen, änderte sich mit ihrer Höhe über Grund, genau wie von Einstein vorhergesagt.

"Der nächste logische Schritt war es, eine Atomuhr mit einer Rakete nach oben zu schießen und zu schauen, wie viel schneller sie hoch über der Erde läuft. Das Experiment hieß Gravity Probe A, wurde 1976 von der NASA gemacht und bestätigte die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie bis auf die vierte Nachkommastelle."

Und was heißt das im Alltag?

Lämmerzahl: "Generell muss man schon sagen: Die verrückten Ideen von Physikern, um irgendwelche fundamentalen Theorien zu testen, das mag verrückt sein, aber das hat in der Regel immer auch eine praktische Auswirkung, sodass man für das praktische Leben auch was hat."

In der Geodäsie zum Beispiel bahnt sich gerade eine kleine Revolution an. Heutige Atomuhren sind so genau, dass man damit Höhenunterschiede im Zentimeterbereich messen kann. Die Anzeige einer im Labor synchronisierten Atomuhr ist damit ein präziser Höhenmesser, der geografische Höhenangaben genauer erfassen kann als jemals zuvor. Relativistische Geodäsie nennt sich das boomende Forschungsfeld. Ohne die Versuche mit fliegenden Atomuhren, hätte es vielleicht nie abgehoben.

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