Test der Symmetrie der Raumzeit mit Atomuhren

Einstein formulierte in seiner Speziellen Relativitätstheorie die These, die Lichtgeschwindigkeit sei immer und unter allen Bedingungen gleich. Doch diese Gleichförmigkeit der Raumzeit könnte nach theoretischen Modellen der Quantengravitation für Teilchen nicht gelten.

Jetzt haben Physiker dies mit einem ersten Langzeitvergleich zweier optischer Ytterbiumuhren in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) überprüft. Mit diesen Uhren, die innerhalb von zehn Milliarden Jahren nur eine einzige Sekunde falsch gehen, müssten auch extrem kleine Abweichungen in der Bewegung der Elektronen des Ytterbiums gemessen werden können. Doch sie maßen keine Veränderung für unterschiedliche Ausrichtungen der Uhren im Raum.

Damit ist die bisherige experimentelle Grenze für den Test der Raumzeit-Symmetrie um das Hundertfache verschärft worden. Zudem wird die extrem geringe systematische Messunsicherheit der optischen Ytterbiumuhren von weniger als 4 · 10E–18 bestätigt. Seine Ergebnisse hat das Team aus Physikern der PTB und der Universität Delaware (USA) in der aktuellen Ausgabe von Nature veröffentlicht.

Es ist eines der berühmtesten historischen Physik-Experimente: Michelson und Morley zeigten schon 1887 mithilfe eines drehbar gelagerten Interferometers, mit dem sie die Lichtgeschwindigkeit entlang zweier senkrecht zueinander stehender optischer Achsen verglichen, was Einstein später theoretisch formulierte.

Es wurde zu einer Grundaussage seiner Speziellen Relativitätstheorie: Die Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Raumrichtung immer gleich. Nun kann man fragen: Gilt diese nach Hendrik Antoon Lorentz benannte Symmetrie des Raumes auch für die Bewegung materieller Teilchen, oder gibt es Richtungen, entlang derer sie sich bei gleicher Energie schneller oder langsamer bewegen?

Insbesondere für hohe Energien der Teilchen sagen theoretische Modelle der Quantengravitation eine Verletzung der Lorentz-Symmetrie vorher.

Mit zwei Atomuhren wurde jetzt ein Experiment durchgeführt, um diese Fragestellung mit hoher Präzision zu untersuchen. Die Frequenz dieser Atomuhren wird jeweils von der Resonanzfrequenz eines einzelnen, in einer Falle gespeicherten Yb+-Ions gesteuert. Während die Verteilung der Elektronen des Yb+-Ions im Grundzustand kugelsymmetrisch ist, befinden sich die Elektronen im angeregten Zustand in einer deutlich elongierten Wellenfunktion und bewegen sich damit hauptsächlich entlang einer Raumrichtung.

Die Ausrichtung der Wellenfunktion wird durch ein in der Uhr angelegtes Magnetfeld bestimmt und wurde für beide Uhren etwa senkrecht zueinander gewählt. Die Uhren sind im Labor fest montiert und drehen sich gemeinsam mit der Erde einmal am Tag (genauer: einmal in 23,9345 Stunden) relativ zu den Fixsternen.

Eine Abhängigkeit der Elektronengeschwindigkeit von der Orientierung im Raum würde sich daher als periodisch mit der Erdrotation auftretende Frequenzdifferenz zwischen beiden Atomuhren zeigen. Um einen solchen Effekt klar von möglichen technischen Einflüssen unterscheiden zu können, wurden die Frequenzen der Yb+-Uhren über mehr als 1000 Stunden verglichen. Es wurde dabei keine Veränderung der Uhren zueinander für den zugänglichen Bereich von Periodendauern von wenigen Minuten bis zu 80 Stunden beobachtet.

Für die theoretische Interpretation und Rechnungen zur Atomstruktur des Yb+-Ions hat das PTB-Team mit theoretischen Physikern von der University of Delaware, USA, zusammengearbeitet. Die aktuellen Resultate verschärfen nun die von Forschern der Universität Berkeley 2015 mit Ca+-Ionen gesetzten Grenzen um etwa einen Faktor 100.

Im Mittel über die gesamte Messzeit zeigten beide Uhren eine relative Frequenzabweichung von weniger als 3 · 10E–18. Dies bestätigt die vorher abgeschätzte kombinierte Unsicherheit der Uhren von 4 · 10E–18 und ist ein wichtiger Fortschritt in der Charakterisierung von optischen Atomuhren auf diesem Genauigkeitsniveau. Potenziell zeigen diese Uhren erst nach etwa zehn Milliarden Jahren eine Differenz von einer Sekunde an.
(es/ptb)

Bildunterschrift:
Ein abstimmbarer Laser regt eine äußerst schmalbandige Resonanz eines Yb+-Ions in einer Atomuhr an. Zwei Ionen mit senkrecht zueinander ausgerichteten Wellenfunktionen (gelb) werden mit Laserlicht mit einer einstellbaren Frequenzverschiebung Δf abgefragt, um eine möglicherweise auftretende Frequenzdifferenz zu messen. Der gesamte Experimentaufbau rotiert mit der Erde einmal am Tag relativ zum Fixsternhimmel. (Abb.: PTB)

Dr. Nils Huntemann, Arbeitsgruppe „Optische Uhren mit gespeicherten Ionen“,
Telefon: (0531) 592-4432, E-Mail: nils.huntemann@ptb.de

Christian Sanner, Nils Huntemann, Richard Lange, Christian Tamm, Ekkehard Peik, Marianna S. Safronova, Sergey G. Porsev: Optical clock comparison for Lorentz symmetry testing. Nature (2019) – (erscheint als Printausgabe am 14.3.2019)