Einstein auf dem Prüfstand: Präzisionsmessung im Weltraum:

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05. Januar 2011

Einstein auf dem Prüfstand: Präzisionsmessung im Weltraum

Haben sonst wenig Zeit, um auf der Couch Platz zu nehmen: Laserspezialist Andreas Wicht (Mitte) und Kollegen

Am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) entwickeln Physiker Andreas Wicht und sein Team leistungsstarke Minilaser. Damit wollen sie Einsteins Relativitätstheorie unter die Lupe nehmen.

Eine Revolution will Andreas Wicht anzetteln, doch wie ein Umstürzler sieht der 44-jährige Physiker wahrlich nicht aus. Er fährt auch keine großen Geschütze auf, seine Waffen passen bequem auf einen Fingernagel. Mit Minilasern will er dazu beitragen, das „Äquivalenzprinzip“ zu überprüfen. Dieses besagt: Alle Massen fallen – unabhängig von ihrem Material und Gewicht – im Gravitationsfeld gleich schnell. „Es gibt Theorien, denen zufolge das unter bestimmten Umständen nicht zutrifft“, sagt Wicht. Dann wäre Einsteins Relativitätstheorie in diesem Punkt widerlegt. Das wäre eine Sensation, aber kein Grund, an unserem gewohnten Bild der Welt zu zweifeln. „Es wirkt sich im Alltag gar nicht aus“, sagt Wicht. Er leitet die Arbeitsgruppe Lasermetrologie am Ferdinand-Braun-Institut in Adlershof, die 2008 in Kooperation mit Achim Peters, Physikprofessor an der Humboldt-Universität zu Berlin (HU), gegründet wurde.

Optische Uhren im Weltall stationieren

Ein „Einstein-Test“ kann beispielsweise mit Atomuhren durchgeführt werden. In diesen wird der Zeittakt aus der Frequenz der Strahlung abgeleitet, die beim Übergang von Elektronen zwischen bestimmten Zuständen frei wird. Als Standard dienen derzeit Cäsiumatome, die in einer Sekunde etwa 9,2 Milliarden Mal hin und her schwingen. Die Zeitanzeige einer Referenzuhr wird ständig mit dem Taktgeber verglichen und angepasst.

Noch genauer sind optische Uhren, die mit sichtbarem Licht arbeiten. Auf 10 hoch minus 17 beziffert Wicht die Standardabweichung. Hochgerechnet auf eine Milliarde Jahr summiert sich das auf eine Abweichung von einer Drittelsekunde. Die Realisierung gelingt etwa mit Strontiumatomen, die in einem Lasergitter gefangen sind. „Uhren, die man heute bauen kann, sind so empfindlich, dass sie auf Verschiebungen im Gravitationsfeld reagieren“, sagt Wicht. Die Genauigkeit der Zeitangabe wird somit auch von der Größe der Schwerkraft beeinflusst. Da liegt die Idee nahe, optische Uhren im Weltall zu stationieren. Diese könnten als Referenzuhren dienen, nach denen sich alle anderen Zeitmesser auf der Erde richten.

Es gibt bereits ein Projekt zur Überprüfung des Äquivalenzprinzips. Es heißt „Quantus“ und wird von der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert. Das FBH entwickelt die für das Experiment benötigten Lasersysteme. Testobjekte sind kleine Wolken aus Rubidium- und Kaliumatomen, die im Ultrahochvakuum bis auf millionstel Grad nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Derzeit werden Experimente am 146 Meter hohen Fallturm der Universität Bremen durchgeführt, ab 2013 geht es an Bord einer Raketensonde. Während eines mehrere Minuten dauernden freien Falls soll untersucht werden, ob die beiden atomaren Ensembles Rubidium und Kalium gleich stark oder unterschiedlich beschleunigt werden.

Minilaser, die einen Raketenstart unbeschadet überstehen

Die Herausforderung besteht darin, Laser zu bauen, die klein und präzise sowie robust genug sind, um einen Raketenstart unbeschadet zu überstehen. „Für diese Anforderungen eignen sich Diodenlaser sehr gut“, sagt Wicht. Das FBH verstehe sich wie kein anderes Institut darauf, kompakte und für unterschiedliche Anwendungen maßgeschneiderte Diodenlaser zu bauen. Die leistungsstarken FBH-Lasermodule sind auch prädestiniert für den Einsatz in Satelliten, die Atomuhren an Bord haben, um exakte Navigation per GPS zu ermöglichen. Auch für immer schnellere Kommunikation in Internet und Mobilfunk benötigt man extrem genaue Uhren.

Zum Team der Lasermetrologen gehören derzeit sechs Doktoranden. Sie kommen von der HU und der Technischen Universität Berlin. Im Labor präsentieren Stefan Spießberger und Christian Kürbis einen Laserchip, vier Millimeter lang und etwa einen Millimeter breit. Haarfeine Drähte ragen seitlich heraus, davor und dahinter sind winzige Linsen montiert, die den Strahl führen. Ein runder Isolator und ein Verstärker – alles im Miniformat – ergänzen die Anordnung, die auf einem Kupferblock sitzt. Am Ende der Entwicklung werden solche Laser mit einer Rakete ins All fliegen. Bei der Frage, ob sie auch gerne ins All mitfliegen würden, lachen die jungen Wissenschaftler. „Natürlich“, lautet die spontane Antwort. Dann könnten sie an Ort und Stelle Einstein überprüfen.

von Paul Janositz

Link:
www.physik.hu-berlin.de/qom
www.fbh-berlin.de/geschaeftsbereiche/diodenlaser/lasermetrologie

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