Ein Millimeter mag nicht viel erscheinen. Aber selbst eine so kleine Entfernung kann den Fluss der Zeit verändern.
Nach Einsteins Gravitationstheorie, der Allgemeinen Relativitätstheorie, ticken Uhren schneller, je weiter sie von der Erde oder einem anderen massereichen Objekt entfernt sind (SN: 10/4/15). Theoretisch sollte das auch für sehr kleine Höhenunterschiede von Uhren gelten. Jetzt hat eine unglaublich empfindliche Atomuhr diese Beschleunigung in einer millimetergroßen Probe von Atomen entdeckt und den Effekt über einen geringeren Höhenunterschied als je zuvor offenbart. Die Zeit verlief oben in dieser Stichprobe etwas schneller als unten, berichten Forscher am 24. September auf arXiv.org.
„Das ist fantastisch“, sagt die theoretische Physikerin Marianna Safronova von der University of Delaware in Newark, die nicht an der Forschung beteiligt war. “Ich dachte, es würde viel länger dauern, bis zu diesem Punkt zu kommen.” Die extreme Präzision der Messung der Atomuhr legt das Potenzial nahe, mit den empfindlichen Zeitmessern andere grundlegende Konzepte der Physik zu testen.
Eine inhärente Eigenschaft von Atomen ermöglicht es Wissenschaftlern, sie als Zeitmesser zu verwenden. Atome existieren auf verschiedenen Energieniveaus, und eine bestimmte Lichtfrequenz lässt sie von einer Ebene zur anderen springen. Diese Frequenz – die Geschwindigkeit des Wackelns der Lichtwellen – dient dem gleichen Zweck wie der regelmäßig tickende Sekundenzeiger einer Uhr. Für Atome, die weiter vom Boden entfernt sind, läuft die Zeit schneller, sodass eine größere Lichtfrequenz benötigt wird, um den Energiesprung zu machen. Zuvor haben Wissenschaftler diese als Gravitationsrotverschiebung bekannte Frequenzverschiebung über einen Höhenunterschied von 33 Zentimetern gemessen (SN: 23.09.10).
In der neuen Studie verwendeten der Physiker Jun Ye von JILA in Boulder, Colorado, und seine Kollegen eine Uhr, die aus rund 100.000 ultrakalten Strontiumatomen besteht. Diese Atome waren in einem Gitter angeordnet, was bedeutet, dass die Atome in einer Reihe unterschiedlicher Höhen saßen, als ob sie auf den Sprossen einer Leiter stünden. Die Kartierung der Frequenzänderung über diese Höhen ergab eine Verschiebung. Nach Korrektur der nicht-gravitativen Effekte, die die Frequenz verschieben könnten, änderte sich die Frequenz der Uhr über einen Millimeter um etwa ein Hundertstel Billiardstel Prozent, genau den Betrag, den die Allgemeine Relativitätstheorie erwartet.
Nachdem sie etwa 90 Stunden lang Daten erhoben und das Ticken der oberen und unteren Teile der Uhr verglichen hatten, stellten die Wissenschaftler fest, dass ihre Technik die relativen Ticks mit einer Genauigkeit von 0,76 Millionstel Billionstel Prozent messen kann. Damit ist es ein Rekord für den genauesten Frequenzvergleich, der jemals durchgeführt wurde.
In einer verwandten Studie, die ebenfalls am 24. September bei arXiv.org eingereicht wurde, lud ein anderes Forscherteam Strontiumatome in bestimmte Teile eines Gitters, um sechs Uhren in einer zu erzeugen. „Es ist auch sehr aufregend, was sie gemacht haben“, sagt Safronova.
Shimon Kolkowitz von der University of Wisconsin-Madison und Kollegen maßen das relative Ticken von zwei der Uhren, die etwa sechs Millimeter voneinander entfernt waren, mit einer Genauigkeit von 8,9 Millionstel Billionstel Prozent, was selbst ein neuer Rekord gewesen wäre es wurde nicht von Yes Gruppe geschlagen. Mit dieser Empfindlichkeit konnten Wissenschaftler einen Unterschied zwischen zwei Uhren feststellen, die mit einer so geringfügig unterschiedlichen Geschwindigkeit ticken, dass sie nach etwa 300 Milliarden Jahren nur eine Sekunde voneinander abweichen würden. Yes Uhr konnte eine noch kleinere Diskrepanz zwischen den beiden Hälften der Uhr von einer Sekunde feststellen, die über etwa 4 Billionen Jahre angesammelt wurde. Obwohl das Team von Kolkowitz die gravitative Rotverschiebung noch nicht gemessen hat, könnte das Setup in Zukunft dafür verwendet werden.
Die Autoren beider Studien lehnten eine Stellungnahme ab, da die Arbeiten das Peer-Review-Verfahren noch nicht durchlaufen haben.
Die Präzision der Messungen deutet auf zukünftige Möglichkeiten hin, sagt der theoretische Physiker Victor Flambaum von der University of New South Wales in Sydney. „Atomuhren sind heute zum Beispiel so präzise, dass sie zur Suche nach dunkler Materie verwendet werden können“, sagt er. Diese heimliche, nicht identifizierte Substanz lauert unsichtbar im Kosmos; bestimmte hypothetische Arten von Dunkler Materie könnten die Tick-Takte von Uhren verändern. Wissenschaftler könnten auch Atomuhren aus verschiedenen Isotopen vergleichen – Atome mit unterschiedlich vielen Neutronen in ihren Kernen – was auf unentdeckte neue Teilchen hinweisen könnte. Und Atomuhren können untersuchen, ob fundamentale Konstanten der Natur variieren könnten (SN: 11/2/16).
Die Möglichkeit, verschiedene Uhren genau zu vergleichen, ist auch für ein wichtiges Ziel der Zeitmessung wichtig: die Aktualisierung der Definition einer Sekunde (SN: 24.03.21). Die Länge einer Sekunde wird derzeit anhand einer früheren Generation von Atomuhren definiert, die nicht so genau sind wie neuere, wie sie in den beiden neuen Studien verwendet wurden (SN: 20.05.19).
„Die Uhren haben eine sehr rosige Zukunft“, sagt Safronova.