Messung der Atomwolke. (Jacobson/NIST) In seiner Theorie von generelle Relativität , Einstein sagte etwas namens voraus Zeitdilatation : die Vorstellung, dass zwei Uhren unter unterschiedlicher Anziehungskraft immer mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ticken.
Der Effekt wurde seitdem in vielen Experimenten beobachtet, aber jetzt haben Wissenschaftler ihn im kleinsten bisher beobachteten Maßstab aufgezeichnet.
Das Ergebnis wurde mit ultrapräzisen Atomuhren erreicht, die nur einen Millimeter (0,04 Zoll) voneinander entfernt waren – etwa so breit wie eine spitze Bleistiftspitze. Das Sammeln von 90 Stunden Daten lieferte dem Team einen Messwert, der 50-mal präziser war als jede frühere ähnliche Messung.
Und je kleiner und präziser der Maßstab, desto mehr verlassen wir uns natürlich auf die Quantenmechanik, um zu erklären, was vor sich geht. Die Forscher hoffen, dass ihre neuen Erkenntnisse einen Weg eröffnen, mehr darüber zu erfahren, wie sich die Krümmung der Raumzeit – was wir als Schwerkraft erleben – auf die Eigenschaften von Teilchen gemäß der Quantenphysik auswirkt.
„Das wichtigste und aufregendste Ergebnis ist, dass wir möglicherweise die Quantenphysik mit der Schwerkraft verbinden können, um beispielsweise die komplexe Physik zu untersuchen, wenn Teilchen an verschiedenen Orten in der gekrümmten Raumzeit verteilt sind.“ sagt der Physiker Jun Ye von der University of Colorado Boulder.
In diesem Experiment verwendeten die Forscher ein sogenanntes optisches Gitter , ein Netz aus Laserlicht, das dazu dient, Atome an Ort und Stelle einzufangen, damit sie beobachtet werden können. Es handelt sich um eine Technik, die für die neueste Generation von Atomuhren verwendet wird und durch die Laserlichtwellen eine höhere Präzision bei der Zeitmessung ermöglicht, und diese Gitter können auch für Quantensimulationen verwendet werden.
Hier wurden die beiden Atomuhrwerte aus derselben Atomwolke in einem stark kontrollierten Energiezustand ermittelt. Tatsächlich bewegten sich die Atome 37 Sekunden lang in perfekter Synchronisation zwischen zwei Energieniveaus, ein Rekord in Bezug auf die Quantenkohärenz (d. h. die Stabilität der Quantenzustände) – und diese Stabilität ist für diese Messungen unerlässlich.
Dadurch konnten die Wissenschaftler ihre Messungen an zwei verschiedenen Punkten durchführen und die Rotverschiebung in der Wolke aus etwa 100.000 ultrakalten Strontiumatomen messen. Die Rotverschiebung zeigt die Veränderung der Frequenz der Strahlung der Atome entlang des elektromagnetischen Spektrums – oder anders ausgedrückt, wie schnell die Atomuhr tickt.
Während der Unterschied in der Rotverschiebung über diesen winzigen Abstand nur etwa 0,0000000000000000001 betrug, stimmt das mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein. Diese Unterschiede können einen Unterschied machen, wenn man den Maßstab des gesamten Universums betrachtet oder sogar wenn man es mit Systemen zu tun hat, die extrem genau sein müssen, wie etwa der GPS-Navigation.
„Dies ist ein völlig neues Spiel, ein neues Regime, in dem die Quantenmechanik in der gekrümmten Raumzeit erforscht werden kann“, sagt Ye .
„Wenn wir die Rotverschiebung zehnmal besser messen könnten, könnten wir die gesamten Materiewellen der Atome entlang der Raumzeitkrümmung sehen.“ „Die Möglichkeit, den Zeitunterschied auf solch einer winzigen Skala zu messen, könnte es uns ermöglichen, beispielsweise zu entdecken, dass die Schwerkraft die Quantenkohärenz stört, was der Grund dafür sein könnte, warum unsere makroskalige Welt klassisch ist.“
Ein Teil dessen, was diese Zeitdilatationsforschung so spannend macht, ist, dass sie den Weg zu künftig noch präziseren Atomuhren weist und Wissenschaftlern einen Bauplan an die Hand gibt, der verfeinert werden kann, um Messungen in immer kleineren Maßstäben durchzuführen.
Atomuhren haben in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht, und es wird noch viel mehr kommen.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .