Triumph für Einstein
Gravitationstheorie mit hoher Präzision bestätigt
Eine Uhr im Schwerefeld geht langsamer als außerhalb desselben. Das folgt aus der allgemeinen Relativitätstheorie. Doch anders als man annehmen könnte, liegt das nicht am Einfluss der Gravitation auf die Mechanik der Uhr, die Zeit selbst wird unter Schwerkrafteinfluss »entschleunigt«. Obwohl diese von Albert Einstein vorausgesagte Zeitdehnung minimal ist, konnte sie von einem deutsch-amerikanischen Forschertrio jetzt mit hoher Präzision nachgewiesen werden.
Erstmals hatten dies 1972 die US-Physiker Joseph Hafele und Richard Keating versucht. In ihrem inzwischen als klassisch geltenden Experiment ließen sie mehrere synchronisierte Atomuhren in Flugzeugen um die Erde fliegen, um sie danach mit einer stationären Uhr im Labor zu vergleichen. Dabei zeigte sich, dass wegen der größeren Schwerkraft am Boden die Uhr dort nachging – um knapp eine millionstel Sekunde. Allerdings war die Messunsicherheit noch recht groß. Sie konnte erst verringert werden, als Physiker das Experiment später mit einer Rakete wiederholten, welche die Uhren ins All beförderte.
Nun aber ist es Holger Müller von der University of California, seinem Kollegen Achim Peters von der Humboldt-Universität sowie dem derzeitigen US-Energieminister und Physiknobelpreisträger Steven Chu gelungen, die Messgenauigkeit noch einmal um den Faktor Zehntausend zu steigern. Das Experiment selbst wurde bereits vor zehn Jahren durchgeführt, jetzt aber neu ausgewertet. Wie die Forscher im Fachblatt »Nature« (Bd. 463, S. 926) berichten, verwendeten sie für ihren Laborversuch gekühlte Cäsiumatome, die als Folge der Quantentheorie sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen. Beim Laserbeschuss der Cäsiumatome spalteten sich deren Materiewellenpakete kohärent in zwei Teile, die sich auf unterschiedlich hohen Bahnen bewegten. Damit erzielten die Forscher im Prinzip den gleichen Effekt wie beim Hafele-Keating-Experiment mit Atomuhren. Denn für alle Cäsium-Materiewellen, die sich vorübergehend auf einer um 0,1 Millimeter höheren Bahn aufhielten, verging die Zeit etwas schneller. Als die beiden Teilwellen anschließend interferierten, kam es zu einer Rotverschiebung auf der unteren Bahn. Der Wert der so ermittelten relativistischen Zeitdehnung stimmte höchst genau mit dem Wert überein, den Einstein bereits 1911 abgeleitet hatte und der sich später auch aus seiner relativistischen Gravitationstheorie ergab.
Dieses Ergebnis dürfte ein schwerer Schlag sein für all jene »Kritiker«, die Einsteins Theorie der Relativität bis heute mit dem abseitigen Argument ablehnen, sie verstoße gegen den gesunden Menschenverstand. Mitunter stellen Physiker aber auch die Frage, ob man die allgemeine Relativitätstheorie vorab modifizieren müsse, um sie mit der Quantenmechanik vereinigen zu können. Wie Müller und sein Team gezeigt haben, besteht dafür keine Notwendigkeit.
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