Atomuhren bestätigen Allgemeine Relativitätstheorie

Unterliegt ein Experiment nicht der Schwerkraft, dann spielt es laut Albert Einstein keine Rolle, wo und wann man es durchführt. Dieses grundlegende Prinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie ist vor allem für den Vergleich geodätischer Daten ausgesprochen wichtig. Mithilfe von hochpräzisen Atomuhren gelang es Physikern nun, die Unabhängigkeit einer Messung von Ort und Zeit – die sogenannte lokale Positionsinvarianz – zu bestätigen. Und zwar mit bisher unerreichter Genauigkeit, wie das Team in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichtet.

Die Grundlage für die Studie von Bijunath Patla vom National Institute of Standards in Boulder und seinen Kollegen bildet ein Gedankenexperiment von Albert Einstein: Befindet sich eine Person in einem frei fallenden Fahrstuhl, kann diese nicht feststellen, ob sie tatsächlich fällt oder sich in der Schwerelosigkeit des Weltalls befindet. Zudem sollten alle Experimente in einem solchen Bezugssystem, die auf nichtgravitativen Effekten beruhen, weder von ihrer Position noch von ihrer Ausrichtung abhängen. In den Versuchen von Patla und seinem Team entspricht dem frei fallenden Fahrstuhl die gesamte Erde, die sich im Gravitationsfeld der Sonne bewegt. Um die lokale Positionsinvarianz zu überprüfen, verglichen die Physiker die Taktraten von unterschiedlichen Atomuhren an ihrem Institut in den USA mit denjenigen von Atomuhren in Europa – darunter eine sogenannte Caesium-Fontänenuhr an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig.

Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie sollte die Abweichung der Taktfrequenzen theoretisch Null betragen. Die zwischen 1999 und 2014 aufgezeichneten Frequenzen kommen dieser Vorhersage mit einem Wert von 0,00000022 so nahe wie kein Experiment zuvor. „Diese Tests fundamentaler Physik sind ein Vorteil von immer präziseren Atomuhren“, so Patla. Er ist davon überzeugt, dass sich die Aussagen von Albert Einstein zukünftig mit immer genaueren Atomuhren sogar noch eindrucksvoller bestätigen lassen.