Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einsteins Äquivalenzprinzip auch für Atome bestätigt

20.12.2004


Abb. oben: Skizze des von Galileo Galilei durchgeführten Versuchs mit zwei unterschiedlich schweren, fallenden Bleikugeln auf dem schiefen Turm von Pisa.

Abb. unten: In einer Vakuumkammer werden Rubidiumatome mit Lichtkräften gekühlt und gefangen und dann nach oben beschleunigt. Während des folgenden freien Falls wird die zurückgelegte Strecke mit der Methode der Atominterferometrie genau vermessen.
Bild: Max-Planck-Institut für Quantenoptik/NASA


Garchinger und Tübinger Wissenschaftler haben an einem "atomaren Springbrunnen" den Galilei’schen Fallturmversuch für Quantenobjekte verifiziert


Vor etwa 400 Jahren hat Galileo Galilei in seinem berühmten Versuch auf dem schiefen Turm von Pisa Gegenstände aus Blei, Gold und Holz fallen lassen und dabei festgestellt, dass sie alle zur gleichen Zeit am Fuße des Turms ankommen. Aus dem Befund, dass die Bewegung eines Körpers unter Einwirkung der Schwerkraft unabhängig von seiner Masse oder seiner Zusammensetzung ist, hat Einstein den in der Physik als "Äquivalenzprinzip" bekannten Grundsatz formuliert und diesen als Ausgangspunkt für seine Überlegungen zur Gravitationstheorie gewählt. Von besonders großem Interesse ist heute die Überprüfung des Äquivalenzprinzips auf atomarer Ebene, da entsprechende Experimente Hinweise dafür liefern können, wie die Einstein’sche Gravitationstheorie und die Quantentheorie weiterentwickelt und in eine einheitliche Beschreibung überführt werden können. Garchinger und Tübinger Wissenschaftler haben nun eine moderne Variante des Galilei’schen Fallturmversuchs durchgeführt und das Äquivalenzprinzip für Quantenobjekte mittels eines Atominterferometers an einem "atomaren Springbrunnen" überprüft. Beim Vergleich der Fallbeschleunigung für zwei verschiedene Rubidiumisotope (Rb 85 und Rb 87) konnten die Forscher die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips bis auf eine Genauigkeit von 2 zu 10 Millionen auf atomarem Niveau bestätigen (Physical Review Letters, 10. Dezember 2004).

Das Äquivalenzprinzip markiert einen der wichtigsten Eckpfeiler der Gravitationstheorie. Deshalb stellt es heute eine große Herausforderung dar, dieses Prinzip einer möglichst genauen experimentellen Überprüfung zu unterziehen. Ergebnisse hierzu könnten Antworten auf eine der in der modernen Physik ungelösten Fragen liefern, nämlich wie man die beiden grundlegenden Theorien der Physik, die Quantentheorie und die Gravitationstheorie, in einheitlicher Weise beschreiben kann.


Garchinger und Tübinger Wissenschaftler haben nun das Äquivalenzprinzip mit Hilfe der Quantenmechanik für zwei verschiedene Rubidiumisotope untersucht. Dazu haben sie in einer magneto-optischen Falle etwa eine Milliarde Rubidiumatome gefangen und mittels Lichtkräften in vertikaler Richtung, entgegen der Schwerkraft, auf eine freie, nach oben gerichtete Flugbahn beschleunigt, ähnlich wie die Wasserstrahlen eines Springbrunnens. Nachdem die Atome ihren höchsten Punkt erreicht haben, fallen sie, von der Erde angezogen, wieder nach unten. Für die Bestimmung der während des Fluges zurückgelegten Strecke wird die quantenmechanische Wellennatur der Atome ausgenutzt. Diese erlaubt es, die Bewegung der Atome mit einem Atominterferometer genau zu vermessen.

Bei einem konventionellen Interferometer werden zwei Lichtstrahlen aufgeteilt und wieder zur Überlagerung gebracht. Sind die beiden Strahlen in Phase, so addieren sich ihre Felder am Ort der Überlagerung und ein dort aufgestellter Detektor registriert einen helles Licht. Haben sie eine entgegengesetzte Phase, heben sich die Felder hingegen auf und am Ort des Detektors bleibt es dunkel. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik haben auch Atome Welleneigenschaften. In einem Atominterferometer beobachtet man ebenfalls das Auslöschen und Verstärken solcher Wellen. An dem Wechsel von "hellen" und "dunklen" Perioden lässt sich die Erdbeschleunigung der Atome auf ihrer Flugbahn bestimmen. Dabei entspricht der Abstand zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich einer zurückgelegten Entfernung von etwas einem halben Millionstel Meter. Damit haben die Forscher ein sehr genaues "Lineal" zur Vermessung der atomaren Bewegung zur Hand.

Mit diesem "Lineal" haben die Forscher die Flugbahn der beiden Rubidiumisotope 85Rb und 87Rb verglichen und festgestellt, dass deren Beschleunigung auf Grund der Erdanziehung innerhalb einer relativen Genauigkeit von 1,7 x10-7 übereinstimmt. In diesem Experiment konnte das Äquivalenzprinzip also auch für Quantenobjekte bestätigt werden. Die Forscher erwarten, dass sich mit technischen Verbesserungen zukünftig extrem genaue Überprüfungen des Äquivalenzprinzips für quantenmechanische Probeteilchen durchführen lassen.

Originalveröffentlichung:

Sebastian Fray, Cristina Alvarez Diez, Theodor W. Hänsch and Martin Weitz
Atomic Interferometer with Amplitude Gratings of Light and Its Applications to Atom Based Tests of the Equivalence Principle
Physical Review Letters, Vol. 93, 240404 (2004), 10 December 2004

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Martin Weitz
Physikalisches Institut der Universität Tübingen, Tübingen
Tel.: 07071 29- 76265
Fax: 07071 29-5829
E-Mail: Martin.Weitz@uni-tuebingen.de

Dr. Sebastian Fray
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Tel.: 089 2180-2046
Fax: 089 285192
E-Mail: S.Fray@mpq.mpg.de

Prof. Theodor W. Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Tel.: 089 32905-712
Fax: 089 32905-200
E-Mail: t.w.haensch@mpq.mpg.de

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Flüssiger Wasserstoff im freien Fall

05.12.2016 | Maschinenbau

Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu

05.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungsnachrichten