Physiker in den USA und Deutschland haben zwei grundlegende Grundsätze der Quantenmechanik verwendet, um einen hochpräzisen Test von Einstein durchzuführen eine allgemeine Relativitätstheorie., Die Forscher nutzten Welle-Teilchen-Dualität und Überlagerung innerhalb eines Atom – Interferometers, um zu beweisen, dass ein als Gravitationsrotverschiebung bekannter Effekt – die Verlangsamung der Zeit in der Nähe eines massiven Körpers-einer Präzision von sieben Teilen in einer Milliarde entspricht. Das Ergebnis ist wichtig bei der Suche nach einer Theorie der Quantengravitation und könnte erhebliche praktische Auswirkungen haben, wie die Verbesserung der Genauigkeit globaler Positionierungssysteme.
Die Gravitationsrotverschiebung folgt dem Äquivalenzprinzip, das der allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegt., Das Äquivalenzprinzip besagt, dass die lokalen Auswirkungen der Schwerkraft denen eines beschleunigten Bezugsrahmens entsprechen. Die von jemandem in einem Aufzug empfundene Abwärtskraft könnte also gleichermaßen auf eine Aufwärtsbeschleunigung des Aufzugs oder auf die Schwerkraft zurückzuführen sein. Lichtimpulse, die von einer Uhr auf dem Liftboden nach oben gesendet werden, werden doppelt verschoben oder neu geschaltet, wenn der Aufzug nach oben beschleunigt, was bedeutet, dass diese Uhr langsamer zu ticken scheint, wenn ihre Blitze an der Decke des Lifts mit einer anderen Uhr verglichen werden., Da es keine Möglichkeit gibt, Schwerkraft und Beschleunigung auseinander zu sagen, gilt dasselbe in einem Gravitationsfeld; Mit anderen Worten, je größer der Gravitationszug ist, den eine Uhr erfährt, oder je näher sie einem massiven Körper ist, desto langsamer tickt sie.
Die Bestätigung dieses Effekts unterstützt die Idee, dass die Schwerkraft eine Manifestation der Raum–Zeit-Krümmung ist, da der Zeitfluss im gesamten Universum nicht mehr konstant ist, sondern je nach Verteilung massiver Körper variiert., Die Stärkung der Idee der Raumzeitkrümmung ist wichtig, wenn zwischen verschiedenen Theorien der Quantengravitation unterschieden wird, da es einige Versionen der Stringtheorie gibt, in denen Materie auf etwas anderes als die Geometrie der Raumzeit reagieren kann.,
Universalität des freien Falls
Gravitationsrotverschiebung als Manifestation der lokalen Positionsinvarianz (die Vorstellung, dass das Ergebnis eines Nicht-Gravitationsexperiments unabhängig davon ist, wo und wann es im Universum durchgeführt wird) ist die am wenigsten gut bestätigte der drei Arten von Experimenten, die das Äquivalenzprinzip unterstützen. Die anderen beiden, die Universalität des Freifalls und die lokale Lorentz-Invarianz, wurden mit Präzisionen von 10-13 oder besser verifiziert, während die Gravitationsrotverschiebung zuvor nur mit einer Genauigkeit von 7 × 10-5 bestätigt worden war., Dies wurde 1976 erreicht, indem die Differenz der verstrichenen Zeit durch zwei Atomuhren gemessen wurde – eine auf der Erdoberfläche und die andere, die in einer Rakete auf eine Höhe von 10.000 km geschickt wurde.
Diese Art der Rotverschiebungsmessung ist durch den Gravitationszug der Erdmasse begrenzt., Die neue Forschung, die von Holger Müller von der University of California Berkeley, Achim Peters von der Humboldt-Universität in Berlin und Steven Chu, zuvor in Berkeley, aber jetzt US-Energieminister, durchgeführt wurde, ist auf die gleiche Weise begrenzt, schafft es jedoch, die Präzision dank einer ultrafeinen Uhr der Quantenmechanik dramatisch zu erhöhen.,
1997 verwendete Peters von Chu entwickelte Laserfangtechniken, um Cäsiumatome einzufangen und auf einige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen (um ihre Geschwindigkeit so weit wie möglich zu reduzieren), und verwendete dann einen vertikalen Laserstrahl, um den Atomen einen Aufwärtskick zu verleihen Gravitationsfreifall messen.
Nun haben Chu und Müller die Ergebnisse dieses Experiments neu interpretiert, um eine Messung der Gravitationsrotverschiebung zu ermöglichen.
Im Experiment wurde jedes der Atome drei Laserimpulsen ausgesetzt., Der erste Impuls brachte das Atom in eine Überlagerung von zwei gleichermaßen wahrscheinlichen Zuständen – entweder ließ es es in Ruhe, um sich zu verlangsamen, und fiel dann unter dem Zug der Schwerkraft auf die Erde zurück oder gab ihm einen zusätzlichen Kick, so dass es vor dem Abstieg eine größere Höhe erreichte. Ein zweiter Impuls wurde dann genau im richtigen Moment angewendet, um das Atom im zweiten Zustand schneller in Richtung Erde zurückzuschieben, wodurch sich die beiden Überlagerungszustände auf dem Weg nach unten trafen., Zu diesem Zeitpunkt maß der dritte Impuls die Interferenz zwischen diesen beiden Zuständen, die durch die Existenz des Atoms als Welle hervorgerufen wurde, wobei die Idee bestand, dass sich jeder Unterschied in der Gravitationsrotverschiebung, wie er von den beiden Zuständen erfahren wird, die in unterschiedlichen Höhen über der Erdoberfläche existieren, manifestieren würde als eine Änderung der relativen Phase der beiden Zustände.
Enorme Frequenz
Die Tugend dieses Ansatzes ist die extrem hohe Frequenz der De – Broglie-Welle eines Cäsiumatoms-etwa 3 × 1025 Hz. Obwohl während der 0.,3 s Freifall Die Materiewellen auf der höheren Trajektorie erlebten eine verstrichene Zeit von nur 2 × 10-20 s mehr als die Wellen auf der unteren Trajektorie, die enorme Frequenz ihrer Schwingung, kombiniert mit der Fähigkeit, Amplitudenunterschiede von nur einem Teil von 1000 zu messen, bedeutete, dass die Forscher die Gravitationsrotverschiebung auf eine Genauigkeit von 7 × 10-9 bestätigen konnten.,
Wie Müller es ausdrückt: „Wenn die Zeit des Freifalls auf das Zeitalter des Universums – 14 Milliarden Jahre-ausgedehnt würde, würde die Zeitdifferenz zwischen den oberen und unteren Routen nur ein Tausendstel einer Sekunde betragen und die Genauigkeit der Messung würde 60 ps betragen, die Zeit, die Licht benötigt, um etwa einen Zentimeter zu reisen.“
Diese extreme Präzision könnte nützlich werden, da globale Positionierungssysteme immer genauer werden., Um die Position eines Objekts auf dem Boden millimetergenau zu bestimmen, müssten die Atomuhren von GPS-Satelliten millimetergenau mit einer Genauigkeit von 10-17 arbeiten, was kürzlich durch eine am National Institute of Standards and Technology in den USA entwickelte Uhr erreicht wurde (siehe „New optical clock breaks accuracy record“). Aber auf der Höhe der Satelliten von 20.000 km werden solche Uhren eine Beschleunigung der Zeit von etwa einem Teil in 1010 dank Gravitationsrotverschiebung erleben., Die Wiederherstellung der Genauigkeit von 10-17 würde daher erfordern, den Rotverschiebungseffekt auf eine Genauigkeit von 10-7 zu kennen.
Müller hofft, die Genauigkeit der Rotverschiebungsmessungen durch Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden Überlagerungszuständen der Cäsiumatome weiter zu verbessern. Die Entfernung, die in der aktuellen Forschung erreicht wurde, betrug nur 0, 1 mm, aber, sagt er, durch Erhöhen auf 1 m sollte es möglich sein, Gravitationswellen, winzige Wellen im Gewebe der Raumzeit, die durch allgemeine Relativität vorhergesagt, aber nie zuvor beobachtet wurden, zu erkennen.
Die Arbeit wird in Nature 463 926 beschrieben.,