Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zeitdehnung der Relativitätstheorie Einsteins mit weltweit höchster Genauigkeit gemessen

22.11.2007
Mainzer Quantenphysiker messen Tempo von Lithium-Ionen bei Geschwindigkeiten bis zu 20.000 Kilometern pro Sekunde - Wichtig für genaue GPS-Navigation

Die Zeitdehnung ist einer der faszinierendsten Aspekte der speziellen Relativitätstheorie Einsteins, weil er die Vorstellung einer absolut gültigen Zeit abschafft: Uhren in bewegtem Zustand ticken langsamer.

Im Experiment konnte die Zeitdehnung zum ersten Mal von Ives und Stilwell 1938 mithilfe des Dopplereffekts beobachtet werden. Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es nun gelungen, die Zeitdehnung mit bisher nicht erreichter Genauigkeit zu messen.

Die Wissenschaftler verwenden dazu einen Ansatz, der die Speicherung und Kühlung von Lithium-Ionen und die Messung ihrer optischen Frequenzen mit einem Frequenzkamm verbindet. "Die Erforschung der Zeitdehnung ist nicht nur für die Grundlagenphysik von Bedeutung, sondern hat für die satellitengestützte Positionsbestimmung mit GPS und viele andere Anwendungen in der Kommunikationstechnologie eine ganz praktische Funktion", erklärt Univ.-Prof. Dr. Gerhard Huber von der Universität Mainz dazu. Die Arbeit, die in Kooperation mit Wissenschaftlern aus Heidelberg, Garching und Winnipeg entstanden ist, wurde vom Wissenschaftsmagazin Nature Physics online veröffentlicht.

Seit ihrer Einführung 1905 bildet die spezielle Relativitätstheorie Albert Einsteins die Grundlage für alle Beschreibungen physikalischer Vorgänge. Ein wesentliches Prinzip dieser Theorie besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit immer konstant bleibt, unabhängig davon, ob sich ein Beobachter mit eigener Geschwindigkeit bewegt oder nicht. Allerdings ist die Zeit in diesem Konzept nun nicht mehr konstant, sondern in einem bewegten System wie beispielsweise einer Rakete im Weltall verlangsamt. Diese Zeitdilatation oder Zeitdehnung wurde 1938 erstmals gemessen und mit einer Genauigkeit von einem Prozent bestimmt. Die jetzt von Nature Physics publizierte Arbeit ist gegenüber dieser ersten Messung 100.000 Mal genauer. "Das ist eine spektakuläre Genauigkeit, die allerdings auch notwendig ist, wenn wir die Grundlagen der Physik, also das Standardmodell testen wollen", so Prof. Gerhard Huber.

Der Mainzer Atomphysiker hat vor etwa 20 Jahren zusammen mit Prof. Dirk Schwalm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg (MPIK Heidelberg) diese Forschungsarbeit am damals neu installierten Speicherring TSR des MPIK begonnen. Dabei werden Lithium-Ionen bei relativistischen Geschwindigkeiten - das sind bis zu sechs Prozent der Lichtgeschwindigkeit oder bis zu 20.000 Kilometer pro Sekunde - als feiner Strahl gespeichert und mit Lasern auf ihren optischen Resonanzen angeregt. Diese sehr scharfen Resonanzen funktionieren wie Atomuhren, die sich mit den Ionen bewegen. Die Laseranregung geschieht mit zwei Lasern, die dem Ionenstrahl hinterher und entgegen geschickt werden. Wenn beide Laser dieselben Ionen anregen, können die Eigenzeit dieser Uhren und zugleich deren Geschwindigkeit im Speicherring genau gemessen werden. Einzig mit der Kenntnis der optischen Frequenzen kann der Faktor der Zeitdehnung, der zugleich die Massenzunahme beschreibt, aus den Experimenten bestimmt werden und mit dem bekannten Wert in der speziellen Relativitätstheorie Einsteins verglichen werden. Die genaue Frequenzmessung geschah in Garching bei München mit einem optischen Frequenzkamm in Zusammenarbeit mit dem Team um Prof. Theodor Hänsch, der 2005 für die Entwicklung dieses bahnbrechenden Verfahrens mit dem Nobelpreis geehrt wurde.

"Innerhalb einer Messgenauigkeit von 1 zu 10 Millionen konnte am TSR Speicherring in Heidelberg die spezielle Relativitätstheorie bestätigt werden", fasst Prof. Huber zusammen. Die Messung reiht sich damit in die Serie der Überprüfung des sogenannten Standardmodells der Physik ein, das die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte beschreibt, und die auch den Test der Lorentz-Invarianz, also der Gültigkeit der speziellen Relativität, einschließt. "Allerdings reicht die bislang erreichte Genauigkeit nicht, um bereits Abweichungen zu erkennen." Die Mitarbeiter aus Mainz, Sergei Karpuk und Christian Novotny, arbeiten nun an einem Experiment bei deutlich höheren Geschwindigkeiten, die bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt mit dem Speicherring ESR erreicht werden können. In ersten Tests kamen die Ionen hier auf bis zu 34 Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Sascha Reinhardt, Guido Saathoff, Henrik Buhr, Lars A. Carlson, Andreas Wolf, Dirk Schwalm, Sergei Karpuk, Christian Novotny, Gerhard Huber, Marcus Zimmermann, Ronald Holzwarth, Thomas Udem, Theodor W. Hänsch, Gerald Gwinner: Test of relativistic time dilation with fast optical atomic clocks at different velocities. Nature Physics Online-Veröffentlichung 11. November 2007; doi: 10.1038/nphys778

Kontakt und Informationen:
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Gerhard Huber
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Tel. +49 6131 39-25969
E-Mail: Gerhard.Huber@uni-mainz.de

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.quantum.physik.uni-mainz.de/members/alamas/huber.html
http://www.nature.com/nphys/index.html
http://zope.verwaltung.uni-mainz.de/presse/bilder/physik_relativitaetstheorie_mess

Weitere Berichte zu: Relativitätstheorie Zeitdehnung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften