Diesmal war es der gravitative Rotverschiebungsteil der Allgemeinen Relativitätstheorie; und die Stringenz? Eine erstaunliche bessere als ein Teil von 100 Millionen!
Wie haben Steven Chu (US-Energieminister, obwohl diese Arbeit an der University of California in Berkeley durchgeführt wurde), Holger Müler (Berkeley) und Achim Peters (Humboldt-Universität in Berlin) den bisher besten Rotverschiebungstest der Gravitation (in 1976 mit zwei Atomuhren - eine auf der Erdoberfläche und die andere, die mit einer Rakete auf eine Höhe von 10.000 km gebracht wurde) um das 10.000-fache?
Durch ausgenutzte Welle-Teilchen-Dualität und Überlagerung innerhalb eines Atominterferometers!
Über diese Figur
: Schema der Funktionsweise des Atominterferometers. Die Trajektorien der beiden Atome sind als Funktionen der Zeit aufgetragen. Die Atome beschleunigen aufgrund der Schwerkraft und die Schwingungslinien zeigen die Phasenakkumulation der Materiewellen. Pfeile geben die Zeiten der drei Laserpulse an. (Mit freundlicher Genehmigung von Nature).
Die Rotverschiebung der Gravitation ist eine unvermeidliche Folge des Äquivalenzprinzips, das der allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegt. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass die lokalen Auswirkungen der Schwerkraft dieselben sind wie die eines beschleunigten Bezugsrahmens. Die von jemandem in einem Aufzug empfundene Abwärtskraft könnte also gleichermaßen auf eine Aufwärtsbeschleunigung des Aufzugs oder auf die Schwerkraft zurückzuführen sein. Lichtimpulse, die von einer Uhr auf dem Aufzugsboden nach oben gesendet werden, werden rot verschoben, wenn der Aufzug nach oben beschleunigt. Dies bedeutet, dass diese Uhr langsamer zu ticken scheint, wenn ihre Blitze an der Decke des Aufzugs mit einer anderen Uhr verglichen werden. Da es keine Möglichkeit gibt, Schwerkraft und Beschleunigung voneinander zu unterscheiden, gilt dies auch für ein Gravitationsfeld. Mit anderen Worten, je größer die Anziehungskraft einer Uhr ist oder je näher sie einem massiven Körper kommt, desto langsamer tickt sie.
Die Bestätigung dieses Effekts stützt die Idee, dass die Schwerkraft Geometrie ist - eine Manifestation der Raumzeitkrümmung -, da der Zeitfluss im gesamten Universum nicht mehr konstant ist, sondern je nach Verteilung der massiven Körper variiert. Die Erforschung der Idee der Raumzeitkrümmung ist wichtig, wenn zwischen verschiedenen Theorien der Quantengravitation unterschieden werden soll, da es einige Versionen der Stringtheorie gibt, in denen Materie auf etwas anderes als die Geometrie der Raumzeit reagieren kann.
Die Rotverschiebung der Gravitation als Manifestation der lokalen Positionsinvarianz (die Vorstellung, dass das Ergebnis eines nicht-gravitativen Experiments unabhängig davon ist, wo und wann es im Universum durchgeführt wird) ist die am wenigsten gut bestätigte der drei Arten von Experimenten unterstützen das Äquivalenzprinzip. Die beiden anderen - die Universalität des freien Falls und die lokale Lorentz-Invarianz - wurden mit einer Genauigkeit von 10 verifiziert-13 oder besser, während die Rotverschiebung der Gravitation zuvor nur mit einer Genauigkeit von 7 × 10 bestätigt worden war-5.
1997 verwendete Peters von Chu entwickelte Laser-Trapping-Techniken, um Cäsiumatome einzufangen und auf einige Millionstel Grad K abzukühlen (um ihre Geschwindigkeit so weit wie möglich zu reduzieren), und verwendete dann einen vertikalen Laserstrahl, um einen Aufwärtskick zu erzeugen zu den Atomen, um den freien Gravitationsfall zu messen.
Nun haben Chu und Müller die Ergebnisse dieses Experiments neu interpretiert, um eine Messung der Gravitationsrotverschiebung zu erhalten.
In dem Experiment wurde jedes der Atome drei Laserpulsen ausgesetzt. Der erste Impuls versetzte das Atom in eine Überlagerung von zwei gleich wahrscheinlichen Zuständen - entweder ließ es es in Ruhe, um sich zu verlangsamen und fiel dann unter der Schwerkraft der Erde zurück auf die Erde, oder gab ihm einen zusätzlichen Tritt, so dass es vor dem Abstieg eine größere Höhe erreichte. Ein zweiter Impuls wurde dann genau im richtigen Moment angelegt, um das Atom im zweiten Zustand schneller zurück zur Erde zu drücken, wodurch sich die beiden Überlagerungszustände auf dem Weg nach unten treffen. Zu diesem Zeitpunkt maß der dritte Impuls die Interferenz zwischen diesen beiden Zuständen, die durch die Existenz des Atoms als Welle hervorgerufen wurde. Die Idee war, dass sich jeder Unterschied in der Gravitationsrotverschiebung, wie er von den beiden Zuständen in unterschiedlichen Höhen über der Erdoberfläche erfahren wird, als manifestieren würde eine Änderung in der relativen Phase der beiden Zustände.
Die Tugend dieses Ansatzes ist die extrem hohe Frequenz der De-Broglie-Welle eines Cäsiumatoms - etwa 3 × 1025Hz. Obwohl während der 0,3 s des freien Falls die Materiewellen auf der höheren Flugbahn eine verstrichene Zeit von nur 2 × 10 erlebten-20s mehr als die Wellen auf der unteren Flugbahn, die enorme Frequenz ihrer Schwingung, kombiniert mit der Fähigkeit, Amplitudenunterschiede von nur einem Teil von 1000 zu messen, ermöglichten es den Forschern, die Rotverschiebung der Gravitation mit einer Genauigkeit von 7 × 10 zu bestätigen-9.
Wie Müller es ausdrückt: „Wenn die Zeit des freien Falls auf das Alter des Universums ausgedehnt würde - 14 Milliarden Jahre -, würde der Zeitunterschied zwischen der oberen und der unteren Route nur eine Tausendstelsekunde betragen und die Genauigkeit der Messung würde 60 ps, die Zeit, die das Licht benötigt, um sich um einen Zentimeter zu bewegen. “
Müller hofft, die Präzision der Rotverschiebungsmessungen weiter zu verbessern, indem der Abstand zwischen den beiden Überlagerungszuständen der Cäsiumatome vergrößert wird. Die in der aktuellen Forschung erreichte Entfernung betrug lediglich 0,1 mm, aber durch Erhöhen auf 1 m sollte es möglich sein, Gravitationswellen zu erfassen, die durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt, aber noch nicht direkt beobachtet wurden.
Quellen: Physikwelt; Das Papier befindet sich in der Nature-Ausgabe vom 18. Februar 2010
