Raumzeit-Gezeiten interferometrisch bestimmt

  • 04. May 2017

Krümmung der Raumzeit erstmals mit Hilfe eines Atom-Interferometers gemessen.

Die Allge­meine Relativitäts­theorie und die Quanten­physik stehen als Theorien der modernen Physik neben­einander. Eine gemein­same Theorie, die die Physik des Größten und die Physik des Kleinsten verei­nigen könnte, ist derzeit noch nicht in Sicht. Umso wichtiger sind experimen­telle Daten, die die wechsel­seitigen Grund­lagen beider Theorie­gebäude überprüfen. Eine Tech­nologie, die sich in den letzten Jahren besonders schnell entwickelt hat und sich hierfür eignet, ist die Atom-Inter­ferometrie. Denn sie ist mittler­weile so präzise, dass sie die Messung funda­mentaler Eigen­schaften der Raumzeit anhand quanten­typischer Phänomene erlaubt.

Abb.: Anhand des Vergleichs zwischen zwei nahen Atom-Interferometern gelang den Forschern die Bestimmung der Krümmung der Raumzeit. (Bild: C. Cain / APS)

Abb.: Anhand des Vergleichs zwischen zwei nahen Atom-Interferometern gelang den Forschern die Bestimmung der Krümmung der Raumzeit. (Bild: C. Cain / APS)

Eine Gruppe von Wissen­schaftlern um Mark Kasevich von der Univer­sität Stanford hat genau dies nun umgesetzt. Mit ihrem Atom-Inter­ferometer konnten die Forscher die Krümmung der Raumzeit messen, also die „Gezeiten­kräfte“ der Gravi­tation. Dies ist nicht nur mess­technisch sehr anspruchs­voll, sondern auch konzep­tionell interes­sant. Einer Gruppe ita­lienischer Physiker war es bereits 2015 gelungen, die Gravitations­konstante mit Hilfe eines Atom-Inter­ferometers extrem genau zu bestimmen. Das neue Experiment der Wissen­schaftler aus Stanford hatte nun die nächst­höhere Ableitung des Gravitations­potenzials im Visier.

Das Gravitations­potenzial selbst ist keine mess­bare Größe – seine Ableitungen jedoch schon. Die erste Ab­leitung entspricht der Beschleu­nigung im freien Fall. Sie hängt allerdings auch vom Bewegungs­zustand des Beobachters ab. Denn Grundlage der Allge­meinen Relativitäts­theorie ist gerade die Äqui­valenz von Schwerkraft und Be­schleunigung und damit auch die Äqui­valenz von träger und schwerer Masse. Die zweite Ableitung des Gravitations­potenzials hingegen ist ein Maß für die Krümmung der Raumzeit und hängt nicht vom Bewegungs­zustand des Beo­bachters ab. Mit ihren Messungen haben die Forscher also konzep­tionell gesehen die erste rein-gravi­tative Quanten­messung der Schwerkraft durch­geführt.

Hierzu nutzten die Wissen­schaftler ein Atom-Inter­ferometer, das sie mit ultra­kalten Rubidium­atomen betrieben, die eine Temperatur von nur noch 50 Nano­kelvin aufwiesen. Um den schwachen Effekt der Raumzeit­krümmung nachweisen zu können, elimi­nierten die Forscher zunächst den Einfluss der normalen Gravitations­beschleunigung, indem sie zwei nur dreißig Zentimeter entfernte Inter­ferometer miteinander verglichen und nur die Differenz der Interferenz­muster betrachteten. Dadurch konnten sie nicht nur die Erd­anziehung, sondern auch Schwingungen der Mess­apparate ausgleichen.

Die Forscher prä­parierten je rund eine Million Rubi­dium-Atome, die sie dann in einer zehn Meter hohen Fontäne nach oben strömen ließen, wobei sich die Atome 2,8 Sekunden lang im freien Fall befanden. Zunächst fokus­sierten die Forscher den Strahl mit einer Dipol-Linse. Dann führten sie mit starken Laser­pulsen eine räumliche Trennung der Wellen­funktionen der fallenden Atome herbei. Dadurch „spürte“ jedes Rubi­dium-Atom zugleich den Einfluss der Gravi­tation an ver­schiedenen Stellen. Dank des hohen Impuls­übertrags von rund 100 Photonen aus je einigen Dutzend Laserpulsen spalteten sich die Wellen­funktionen der einzelnen Rubi­dium-Atome auf eine Breite von rund dreißig Zenti­metern auf – ein enorm starker Effekt mit schweren Atomen.

Die Krümmung der Raumzeit führten die Forscher durch schwere Blei­klötze herbei, die sie neben einem der Inter­ferometer platzierten. Der Effekt der insgesamt 84 Kilogramm schweren Blöcke machte sich dank der hohen Präzision ihres Inter­ferometers bemerkbar – aller­dings nur bei einem der beiden Inter­ferometer. Das andere war mit einem Abstand von etwa dreißig Zenti­metern weit genug entfernt, dass dieser Effekt es kaum noch beein­flussen konnte. Insgesamt er­reichten die Wissen­schaftler eine Präzision von 0,6 nm/s2 bei der Bestimmung der Be­schleunigungs­differenz im Mess- und im Referenz-Inter­ferometer.

Diese Messungen waren nur möglich aufgrund der zahlreichen Verbes­serungen, die Atom-Inter­ferometer in den letzten Jahren erfahren haben und zu denen auch die Arbeits­gruppe der Forscher aus Stanford beigetragen hat. Mit weiteren Entwick­lungen könnten in den kommenden Jahren ganz neue Gebiete in die Reichweite der Atom-Inter­ferometrie gelangen. So ist die erreichte Phasen­stabilität bereits jetzt sehr hoch. Mit einem ähnlichen Aufbau halten die Wissen­schaftler nicht nur eine genauere Bestimmung der Gravitations­konstante, sondern auch die Messung des gravi­tativen Aharonov-Bohm-Effekts für möglich. Andere Möglich­keiten bestehen in Tests der Fein­struktur­konstante, im Nachweis von Gravitations­wellen im ansonsten nur schwer zugäng­lichen Frequenz­bereich von knapp einem Hertz oder sogar in der Suche nach möglichen ultra­leichten Teilchen der dunklen Materie, wie ver­schiedene Modellen sie vorher­sagen.

Dirk Eidemüller

JOL

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer