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Astronomie+Physik

Einstein behält Recht – mal wieder

Wellenfunktionen
Wellenfunktionen der Elektronen in den beiden senkrecht zueinander ausgerichteten Ytterbium-Atomuhren. (Bild: Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

Nach Einsteins Spezieller Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit in jeder Richtung des Raums dieselbe und auch physikalische Prozesse dürfen – wenn sonst alle Bedingungen gleich sind – nicht durch ihre räumliche Orientierung beeinflusst werden. Dass diese sogenannte Lorentztransformation auch auf kleinste Teilchen zutrifft, haben nun Forscher mithilfe zweier Atomuhren so genau wie nie zuvor bestätigt. Die Schwingungsfrequenz der Ytterbium-Ionen in beiden Uhren blieb trotz verschieden ausgerichteter Anordnung und der Erdbewegung über sechs Monate hinweg gleich. Zumindest für Elektronen scheint damit die Raumzeit tatsächlich symmetrisch zu sein.

Im Jahr 1887 fand eines der folgenreichsten Experimente der Physik statt: Die Physiker Albert Michelson und Edward Morley wollten wissen, ob die Bewegung der Erde die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls beeinflusst. Dafür führten sie zwei Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge so zusammen, dass ein charakteristisches Interferenzmuster entstand. Ihrer Erwartung nach müsste sich dieses Muster je nach Ausrichtung des Experiments verändern – je nachdem, ob sich die Lichtstrahlen mit der Erdbewegung oder senkrecht dazu bewegten. Doch zum Erstaunen der Wissenschaftler blieb das Interferenzmuster gleich – das Licht ließ sich von der räumlichen Anordnung nicht beeinflussen. Diese Erkenntnis führte Albert Einstein in seiner 1905 veröffentlichten Theorie der Speziellen Relativität weiter. Nach dieser ist nicht nur die Lichtgeschwindigkeit immer konstant, auch auf andere Prozesse wirkt die Raumzeit symmetrisch – ihre Merkmale sind von der räumlichen Orientierung unabhängig, sofern alle sonstigen Bedingungen übereinstimmen.

Schwingende Ytterbium-Ionen als Symmetriemesser

Doch inzwischen gibt es quantenphysikalische Modelle, die unter bestimmten Voraussetzungen Abweichungen bei dieser sogenannten Lorentztransformation vorhersagen. Sollte dies stimmen, dann müssten einige Elementarteilchen je nach Richtung Unterschiede in ihrem Verhalten zeigen. „Moderne Tests von Einsteins Relativitätstheorie versuchen daher, bisher unentdeckte Verstöße gegen die Lorentzsche Symmetrie zu messen“, erklären Christian Sanner von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und seine Kollegen. Für Protonen und Neutronen, aber auch für Elektronen und Photonen haben Forscher dies getestet, konnte aber in den bisher erreichbaren Auflösungen und Genauigkeiten keine Abweichungen feststellen.

Jetzt haben Sanner und sein Team Einsteins Relativitätstheorie erneut auf die Probe gestellt. Mithilfe zweier optischer Ytterbium-Atomuhren haben sie die Raumzeit-Symmetrie für Elektronen um das Hundertfache genauer als jemals zuvor überprüft. Die an der PTB aufgestellten Atomuhren sind so präzise, dass sie im Verlauf von zehn Milliarden Jahren nur eine Sekunde falsch gehen würden. Im Zentrum jeder Uhr steht ein Ytterbium-Ion, dessen Elektronen im angeregten Zustand stärker in eine Richtung schwingen. Die Forscher richteten die Ionen der beiden Uhren mithilfe von Magnetfeldern so aus, dass die Wellenfunktionen beider senkrecht zueinander standen.

Keine Abweichungen

Die entscheidende Frage war nun: Würde der Einfluss der Bewegung der Erde um die Sonne und der Erdrotation die Schwingungsfrequenz der Ytterbium-Ionen beeinflussen? „Wenn es Verstöße gegen die Lorentzsche Symmetrie gibt, dann müssten die periodischen Veränderungen zu Frequenzabweichungen zwischen beiden Uhren führen“, erklären die Physiker. Sechs Monate lang verglichen sie deshalb die Frequenzen beider Atomuhren alle 2,36 Sekunden – insgesamt rund 1,7 Millionen Mal. Doch eine Abweichung fanden sie nicht. „Wir finden keine überzeugenden Belege dafür, dass irgendeiner der Vergleichsparameter von Null abweicht“, berichten Sanner und seine Kollegen. Über die gesamte Messzeit hinweg zeigten beide Atomuhren eine relative Frequenzabweichung, die unter 3 mal 10 hoch -18 lag. Damit haben die Forscher die Lorentztransformation für Elektronen nun noch einmal hundertfach genauer überprüft als bisherige Messungen. Demnach scheint klar, dass Einsteins Theorie weiterhin Recht behält.

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Quelle: Christian Sanner (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-019-0972-2

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