Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie allgemein ist die Allgemeine Relativitätstheorie?

30.01.2015

Egal ob Feder, Apfel oder Ziegelstein: Im Vakuum, wenn es keine Reibung mehr gibt und nur noch die Gravitation wirkt, fallen alle Körper gleich schnell. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, konkret das Äquivalenzprinzip, sagt dies voraus und es entspricht dem aktuellen Weltbild der Physik. Und doch gibt es Zweifel – zumindest, was die Extrema angeht. Weltraumexperimente mit Quantensensoren sollen nun Klarheit bringen.

„Auf der Größenskala von Galaxien erklären die Gesetze der Gravitation nicht, warum sich das Universum so entwickelt hat, wie wir es kennen“, sagt Andreas Wicht, Leiter der Arbeitsgruppe Lasermetrologie am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). „Und für die mikroskopische Ebene, unterhalb von hundert Mikrometern, gibt es gar keine experimentelle Überprüfung der Gültigkeit des Gravitationsgesetzes, so wie wir es kennen.“


Elektronischer Mikrochip fängt im Versuch die Gasatome ein und bündelt sie.Im Falle des QUANTUS-III-Projektes soll aus Rubidium- und Kaliumatomen jeweils ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugt werden.

Bild: Universität Hannover

Die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips auf atomarer Ebene zu überprüfen ist Ziel des Gemeinschaftsprojektes QUANTUS III, an dem die Universitäten Hannover, Hamburg, Ulm, Mainz, Darmstadt, Bremen und die HU-Berlin sowie das FBH beteiligt sind. „Konkret fragen wir uns: Fallen Rubidiumatome genau so schnell wie Kaliumatome?“ Andreas Wicht entwickelt mit seinem Team am FBH die Laser-Technologieplattform für ein sogenanntes Atom-Interferometer, einen Quantensensor, der demnächst im Weltraum zum Einsatz kommen soll.

Bereits seit den späten 1980er-Jahren werden „Atom-Fall-Experimente“ im Labormaßstab durchgeführt. Doch die vermuteten Unterschiede in den Fallgeschwindigkeiten sind so minimal – sie liegen bestenfalls in der zehnten Nachkommastelle –, dass für ausreichend empfindliche Messungen sehr lange Messzeiten nötig sind. Nur im Weltraum können sie erreicht werden. Doch dafür sind die rund 2 x 2 Meter großen Messtische viel zu unhandlich.

Seit Mitte der 1990er-Jahre fördert das Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) deshalb Experimente und entsprechende Technologien. So wurden bereits Experimente am Bremer Fallturm realisiert, der mit einer Höhe von gut 100 Metern in einer Vakuumröhre vier Sekunden freien Fall ermöglicht. „Hier ließ sich zeigen, dass das Experiment prinzipiell funktioniert. Aber die Messzeit ist immer noch viel zu kurz.“

Wie funktioniert das „Fall-Experiment“? „Die Atome fungieren quasi als Sensoren“, erklärt Wicht. In Schwerelosigkeit befinden sich die Atome samt der Messeinrichtung quasi im freien Fall. Zuerst wird die thermische Bewegung der Atome der beiden Atomsorten mit Lichtimpulsen bestimmter Frequenz soweit abgebremst, dass die Atome quasi stillstehen, weil sie fast bis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Mit weiteren Laserpulsen werden die Atome nun so manipuliert, dass sie sich in speziellen, nur mit Mitteln der Quantenphysik beschreibbaren Zuständen befinden, weshalb sie auch als quantenoptische Sensoren bezeichnet werden.

Die Wirkung der Laserpulse und damit das Messergebnis des quantenoptischen Sensors hängt aber sehr empfindlich von Frequenz und Phase der Lichtpulse ab. Würden nun die Atome dieser beiden Sorten verschieden beschleunigt, müssten Frequenz und Phase der Laserpulse für beide Sorten unterschiedlich an den Dopplereffekt angepasst werden, der aus dieser unterschiedlichen Beschleunigung resultiert. „Diesen Unterschied, falls es ihn gibt, gilt es zu messen“, erklärt Wicht.

Am FBH wurde der „Werkzeugsatz aus Licht“ dafür entwickelt, eine Art synchronisierte Lichtorgel aus verschiedenen spektral schmalbandigen Diodenlasern, Mikrospiegeln und anderen miniaturisierten optischen Komponenten. „Wir können zwei dieser Chips auf einem keramischen Grundkörper integrieren. Um sie herum werden die Mikro-Optiken aufgebaut“, erzählt Wicht. „Das komplette Lasersystem wird aus sechs oder acht solcher Module bestehen und vom Volumen her etwa 1000-mal kleiner sein als ein herkömmliches Produkt.“ Es wird hermetisch verschlossen, lediglich der Lichtwellenleiter, der zur Versuchskammer führt, ragt heraus.

Im Bremer Fallturm hat das System bereits seine Raketentauglichkeit bewiesen. Im April 2015 sollen Experimente auf einer Höhenflugrakete, die auf etwa 100 Kilometer aufsteigt, folgen. Bis zum Wiedereintritt in die Erdatmosphäre bleibt ein Zeitfenster von sechs Minuten Schwerelosigkeit für das Experiment. Später sollen derartige Experimente auf einem Satelliten oder der Raumstation ISS durchgeführt werden.

Ein ziemlich großer Aufwand, nur um Einstein zu widerlegen, oder nicht? Andreas Wicht lacht. „Könnte man meinen. Aber als das GPS entwickelt wurde, hätte man auch nie gedacht, dass es heute in jedem Smartphone zur Verfügung steht. Und so wird, jenseits des Atom-Experiments, die Technologie der Quantensensoren vielleicht keine alltägliche, aber doch zumindest spezielle technische Anwendung finden.“ Neben Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessungen lassen sich damit zum Beispiel Dichtemessungen und sehr genaue Ortsbestimmungen auf der Erde durchführen.

Die britische Regierung investierte kürzlich 270 Millionen Pfund in die Kommerzialisierung von Quantensensoren. Während heute zur exakten Ortsbestimmung Zugang zu einem GPS-Satelliten nötig ist, der ausfallen könnte, navigieren Quantensensoren GPS-frei, brauchen lediglich einen bekannten Ort als Bezugspunkt. Anders als das GPS funktioniert diese auch in der Tiefe der Ozeane von U-Booten aus. „Das zweite große Einsatzgebiet wird die Exploration sein“, ergänzt Wicht. Über Erzlager „fallen“ die Atome im Sensor schneller als über normalem Gestein. Erdöllager und Grundwasserspiegel können ebenfalls ausgelotet werden.

Großbritannien investiert, die USA planen Experimente auf der ISS – und was macht Deutschland? Der Programmausschuss Optische Technologien identifizierte zwar im Rahmen der Agenda Photonik 2020 für das BMBF die Quantensensorik als aussichtsreiche Zukunftstechnologie. „Aber das ist Papier“, sagt Wicht. „Was wir am Ende brauchen ist Geld für weitere Forschung, eine politische Entscheidung.“ Noch stünde man relativ gut da, weil das DLR diese Arbeiten fördert. „Doch wir müssen aufpassen, dass wir unsere gute Position nicht verlieren.“

Der Kommerz steht für Grundlagenforscher wie Andreas Wicht nicht im Vordergrund. Ihnen geht es um die pure Physik. Albert Einstein hätte es wohl amüsiert, dass die Erde nicht ausreicht, um die Grenzen seiner genialen Ideen zu erfassen.

Weitere Informationen:

http://www.fbh-berlin.de

Saskia Donath | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenmechanik ist komplex genug – vorerst …
21.04.2017 | Universität Wien

nachricht Tief im Inneren von M87
20.04.2017 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten