https://www.faz.net/-gwz-7v29a

Relativitätstheorie auf dem Prüfstand : Einsteins Triumph

  • -Aktualisiert am

Albert Einstein hätte gestaunt über dieses Präszisionsexperiment Bild: AP

Die relativistische Dehnung der Zeit wurde auf Herz und Nieren getestet. Und - es gibt keine Abweichung von den theoretischen Erwartungen.

          2 Min.

          Einhundertneun Jahre nach ihrer Veröffentlichung hat die Spezielle Relativitätstheorie Albert Einsteins einen weiteren Härtetest bestanden. Eine internationale Forschergruppe hat an einem Teilchenbeschleuniger der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt in einem Präzisionsexperiment bestätigt, dass bewegte Uhren tatsächlich langsamer „ticken“ als ruhende. Auf dieser merkwürdigen Vorhersage der Relativitätstheorie fußt beispielsweise das berühmte Zwillingsparadoxon, dem zufolge ein Raumfahrer, der in einer schnellen Rakete reist, langsamer altert als sein auf der Erde zurückbleibender Zwillingsbruder.

          Kein GPS  ohne Zeitdilatation

          Freilich macht sich dieses als „Zeitdilatation“ bezeichnete Phänomen im Alltag kaum bemerkbar. Es spielt nur bei extrem hohen Geschwindigkeiten eine Rolle. Die Positionsbestimmung des amerikanischen Satelliten-Navigationssystems GPS, dessen Satelliten sich mit rund 14 000 Stundenkilometer um die Erde bewegen, würde ohne Berücksichtigung relativistischer Effekte um mehrere Meter danebenliegen. Denn sie beruht auf dem Vergleich präziser Zeitsignale. Dass die Navigation überhaupt mit GPS funktioniert, kann man bereits als Bestätigung der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie ansehen. Doch die Physiker geben sich damit nicht zufrieden. Die Gleichungen Albert Einsteins bilden schließlich das Fundament vieler physikalischer Theorien. Und so ist die möglichst genaue experimentelle Überprüfung der Relativitätstheorie und ihrer Aussagen von großer Bedeutung.

          Der Experimentierspeicherring ESR
          Der Experimentierspeicherring ESR : Bild: GSI, Darmstadt

          Makroskopische Uhren eignen sich für einen Test der Speziellen Relativitätstheorie allerdings nicht, denn sie lassen sich kaum auf die erforderlichen hohen Geschwindigkeiten bringen. Wilfried Nörtershäuser von der TU Darmstadt und seine Kollegen verwendeten bei ihrem Experiment Lithiumionen als Chronometer: Diese Atomuhren „ticken“ aufgrund von Strahlungsübergängen, bei denen Elektronen zwischen verschiedenen Energieniveaus im Ion hin- und herspringen und dabei Fluoreszenzlicht abstrahlen. Von ruhenden Lithiumionen sind die Frequenzen dieser Übergänge recht genau bekannt, sie dienten den Forschern als ruhende Referenzuhren.

          Bewegte Uhren kreisen im Beschleuniger

          Als bewegte Uhren wurden Lithiumionen genutzt, die man im 108 Meter langen Experimentierspeicherring (ESR) des GSI auf eine Geschwindigkeit von mehr als 100 000 Kilometer pro Sekunde beschleunigt hatte - das entspricht 34 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Das „Ablesen“ der im Speicherring umlaufenden Uhren erfolgte mit zwei Laserstrahlen, die die Forscher auf die Ionen richteten, um sie zum Aussenden von Fluoreszenzlicht zu bewegen. Ein Strahl wurde den geladenen Teilchen entgegen-, der andere ihnen hinterhergeschickt. In Folge des Dopplereffekts, der eine charakteristische Verschiebung der Wellenlänge des von bewegten Ionen ausgesandten Fluoreszenzlichts bewirkt, musste die Wellenlänge des entgegenkommenden Laserlichts etwas größer, die des hinterherlaufenden Laserlichts etwas kleiner gewählt werden als im Fall von ruhenden Ionen. Die Zeitdilatation machte es obendrein erforderlich, die Frequenzen beider Laserstrahlen noch zusätzlich ein wenig zu verringern.

          Klares Ergebnis

          Anhand der eingestellten Laserfrequenzen konnten die Physiker um Nörtershäuser die Ganggenauigkeit der bewegten mit der von ruhenden Lithiumuhren vergleichen. Das Ergebnis: Die Zeit der im Speicherring umlaufenden Atomuhren verstrich tatsächlich langsamer, und zwar genauso, wie es Albert Einstein vorhergesagt hatte. Die Forscher konnten Einsteins berechneten Zeitdilatationswert für Objekte, die sich mit 34 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegen, auf zwei Milliardstel genau ermitteln, wie sie in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ berichten.  Diese Übereinstimmung ist genauer als bei jedem Test zuvor.

          Ob und wie sie sich noch verbessern lässt, wollen die Forscher nun prüfen. In Sachen Zeitdilatation wird auch die Europäische Weltraumorganisation Esa tätig. Sie plant die Installation des ACES-Instruments (Atomic Clock Ensemble in Space) auf der internationalen Raumstation ISS für das Jahr 2016. Mit den ultragenauen Atomuhren des Gerätes sollen neben der Relativitätstheorie auch andere fundamentale physikalische Theorien getestet werden.

          Weitere Themen

          Zeit zum Einpacken

          Ab in die Botanik : Zeit zum Einpacken

          Der Klimawandel stellt die alten Gartenweisheiten auf den Kopf. Heute hat man mehr Zeit, seinen Garten winterfest zu machen.

          Wie Kunststoffe die Umwelt belasten Video-Seite öffnen

          Videografik : Wie Kunststoffe die Umwelt belasten

          Der Bundestag befasst sich abschließend mit einem Verbot leichter Plastiktüten. Mit der Neuregelung des Verpackungsgesetzes will die Bundesregierung den Verbrauch der Tüten weiter reduzieren. Denn Kunststoffe belasten die Umwelt schwer.

          Topmeldungen

          Baukräne stehen an einer Baustelle in Berlin.

          Wohngemeinnützigkeit : Ein Bärendienst für den Wohnungsmarkt

          Immer lauter wird die Forderung, die Wohngemeinnützigkeit wiederzubeleben. Dass dies eine schlechte Idee ist, zeigt schon das abschreckende Beispiel der Neuen Heimat.
          Frau mit Kopftuch vor der Humboldt-Universität in Berlin

          Redeverbote an Hochschulen : Flucht vor Argumenten

          Eine Forschungsstelle der Uni Köln fordert, die Redefreiheit zu begrenzen, um Grundrechte zu verteidigen. Das würde einer Abschaffung der akademischen Freiheit gleichkommen. Ein Gastbeitrag.

          Fehler beim FC Bayern : Hansi Flick hat genug

          Der FC Bayern leistet sich in der Champions League teilweise haarsträubende Unaufmerksamkeiten. Trainer Hansi Flick stellt deshalb nun eine Forderung auf – und für Leroy Sané gibt es klare Aufträge.

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.