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StartseiteEinsteins ErbenGebremste Zeit im Fokus08.02.2005

Gebremste Zeit im Fokus

Physiker messen relativistische Zeitdehnung exakt wie nie

<strong>Physik. - Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie von 1905 besagt, dass Uhren, die sich schnell bewegen, langsamer ticken als baugleiche Uhren, die ruhen. Zeitdilatation heißt dieses Phänomen im Fachjargon und ist vermutlich für Laien eine der bizarrsten Konsequenzen der Einsteinschen Revolution von Raum und Zeit. Zwar wurde das Phänomen bereits 1971 nachgewiesen, doch deutsche Physiker wollten es noch einmal ganz genau wissen.</strong>

Von Ralf Krauter

Auf zehn Nachkommastellen genau: Heidelberger Stoppuhr. (MPI)
Auf zehn Nachkommastellen genau: Heidelberger Stoppuhr. (MPI)

Wer die relativistische Zeitdehnung messen will, muss Präzisionsuhren auf die Reise schicken – und zwar je schneller, desto besser. Weil das mit kleinen Uhren am leichtesten geht, setzen die Forscher um Guido Saathoff vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik auf die winzigsten Uhren, die man sich nur denken kann.

Wir benutzen jetzt Atome oder Ionen direkt als Uhren. Der Vorteil, gegenüber früheren Experimenten ist, dass wir nur noch das einzelne Atom beschleunigen müssen. Das kann man eben auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen – anders als etwa Flugzeuge, in die man makroskopische Atomuhren stellt.

Um die winzigen Zeitmesser auf Touren zu bringen, braucht es aber eine ziemlich große Maschine: einen Ionenbeschleuniger samt Speicherring. Das Gerät füllt ein Gebäude so groß wie eine Turnhalle und ist das Herzstück des Max-Planck-Instituts für Kernphysik.

Also hier fängt die Geschichte an. Hier sehen wir einen Faraday-Käfig, da drin ist eine Ionenquelle untergebracht, da werden Lithium-Ionen hergestellt.

Die Ionen sind Lithium-Atome, denen ein Elektron weggenommen wurde. Mit Hochspannung werden diese geladenen Teilchen in einem riesigen orangefarbenen Tank auf 19.000 Kilometer pro Sekunde beschleunigt - das sind gut sechs Prozent der Lichtgeschwindigkeit, schnell genug, um in zwei Sekunden einmal die Erde zu umkreisen. Aber die flotten Flitzer schaffen es nur bis in die angrenzende Halle. Dort zwingen sie starke Magneten auf eine Kreisbahn.

Jetzt sehen wir hier den Speicherring. Die Ionen kommen hier aus dem Beschleuniger raus. Man hat wieder überall Quadrupol- und Dipolmagneten, um die Ionen abzulenken und zu fokussieren.

55 Meter lang ist das kreisförmige Aluminiumrohr, in dem die Ionen entlang rasen. Vor lauter Spulen, Kabeln und anderem elektrischen Gerät ist das luftleere Strahlrohr selbst kaum zu sehen. 330.000 Umläufe schaffen die Lithium-Ionen darin pro Sekunde. Laut Einstein müsste ihre innere Uhr 0,2 Prozent langsamer ticken als die Uhren im Labor. Zum Ablesen der atomaren Sekundenzeiger verwenden die Physiker Laserstrahlen, mit denen sie die Elektronenhülle der vorbei flitzenden Lithium-Ionen gezielt zu bestimmten Schwingungen anregen. Das dabei ausgesandte Fluoreszenzlicht verrät, wie schnell die innere Uhr der Ionen tickt.

So jetzt sind wir hier im Keller. Hier stehen die Netzgeräte für die Magnete. Und was hier auch untergebracht ist, ist unsere Laser-Hütte. Das ist im Grunde so ein Verhau, der hier in den Keller gebaut wurde, weil in der rauen Atmosphäre am Speicherring mit Streufeldern und Elektrosmog Laser nicht ruhig laufen. Deswegen hat man hier so eine Laserhütte eingebaut und kann hier die Laser betreiben. Das Licht wird dann über eine optische Faser zum Speicherring geleitet

Im gedimmten Licht hinter einem schwarzen Plastikvorhang ein tischtennisplattengroßer Tisch. Drei große Laser stehen darauf und jede Menge Linsen und Spiegel. Mehr als drei Jahre hat der Aufbau dieser Präzisionsoptik zum Test von Einstein gedauert.

Also hier haben wir so manche Nacht und auch so manchen Tag verbracht. In der ersten Phase des Experiments hat es eher keinen Spaß gemacht. Aber als wir dann wussten, wie wir’s machen müssen, wurde es dann besser.

Mittlerweile haben Guido Saathoff und Co. Einsteins Formel für die Zeitdehnung auf zehn Nachkommastellen genau bestätigt - deutlich präziser als je zuvor. Aber weil auch das noch nicht gut genug ist, planen die Forscher nun eine Messreihe bei der Gesellschaft für Schwerionen-Forschung in Darmstadt. Mit dem größeren Beschleuniger dort lassen sich Lithium-Ionen auf 33 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Laut Einstein müsste dann jede Sekunde auf ihrer inneren Uhr 60 Millisekunden länger dauern als eine Sekunde auf der Armbanduhr von Guido Saathoff.

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