Der Einfluss der Gravitation auf die Zeit

Drei Physiker aus den Vereinigten Staaten und Deutschland berichten, dass ein Phänomen, das als „gravitative Rotverschiebung“ bekannt ist – was einer Verlangsamung der Zeit in der Nähe großer Massen entspricht – mit einer Genauigkeit von sieben Parts per billion (7 × 10 ^-9) bestätigt werden konnte.

Die Bestätigung des Effekts der „gravitativen Rotverschiebung“ beweist, dass der Fluss der Zeit in unserem Universum nicht überall konstant ist. Stattdessen variiert er entsprechend der relativen Position zu schweren Körpern und der Anziehungskraft, die diese enormen Massen ausüben.

Ein einfaches Beispiel: wenn sich eine Uhr nahe einem schweren Körper befindet oder durch starke Gravitationskräfte angezogen wird, dann wird sie, je näher sie der schweren Masse ist oder je stärker die Anziehungskraft ist, desto langsamer laufen.

Die Forschung wurde von Dr. Holger Müller von der Universität Berkeley in Kalifornien, dem US-Energieminister Dr. Steven Chu und Dr. Achim Peters von der Humboldt Universität in Berlin durchgeführt.

Eine der Einschränkungen der Messung der Rotverschiebung ist, dass sie durch die geringe Stärke der Erdanziehung beschränkt ist. Trotzdem konnten die Wissenschaftler die Exaktheit des Experiments durch eine super ganggenaue Uhr drastisch verbessern.

Chu und Müller führten ihre neuen Untersuchungen auf Basis der Messergebnisse eines von Peters und Chu durchgeführten Experiments aus dem Jahr 1997 durch. Bei diesem Experiment wird versucht, mit Hilfe von Laserpulsen Cäsium-Atome einzufangen und ihre Geschwindigkeit so weit wie möglich zu verringern, indem sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Danach werden die Atome mit einem Laserstrahl von unten beschossen – wodurch sie nach oben gekickt werden -, um schließlich ihren freien Fall zu messen.

Für die genauere Vermessung der „gravitativen Rotverschiebung“ interpretierten Chu und Müller diese Ergebnisse ein weiteres Mal und entwickelten ein neues Experiment.

Im neuen Experiment wird jedes der getesteten Atome drei Laserpulsen ausgesetzt. Der erste erzeugt zwei gleich wahrscheinliche Zustände, entweder gibt es gar keinen Effekt und das Atom fällt durch die Erdanziehung nach unten oder der Laser gibt dem Atom einen Kick nach oben, sodass es eine bestimmte Höhe erreicht, bevor es herunterfällt.

Wenn das Letztere passiert, sorgt ein zweiter Puls zu einem bestimmten Zeitpunkt dafür, dass das Atom schneller als normal nach unten fällt, was eine größere Erdanziehung simuliert. Dadurch könnte es passieren, dass sich die Atome mit unterschiedlichen Zuständen auf ihrem Weg nach unten treffen wobei sie sich ähnlich wie Wellen überlagern.

In diesem Moment wird der dritte Puls abgefeuert. Sein Zweck ist, das Ereignis dieses Zusammentreffens und die daraus resultierende Änderung der Zustände beider Wellen zu messen. Jeder Unterschied in der Rotverschiebung zwischen beiden Zuständen, die in verschiedenen Höhen über der Erde existieren, würde sich dann in einer bestimmten Änderung der relativen Phase beider Zustände manifestieren.

Um die Präzision der Messung weiter zu erhöhen, plant Dr. Müller bei dem Experiment, den Abstand zwischen den beiden Cäsium-Atomen, die sich überlagern werden, zu vergrößern. Laut Müller sollte es bei einer Vergrößerung des Abstandes von aktuell 0,1 Millimeter auf einen Meter möglich sein, Gravitationswellen zu detektieren und somit Änderungen in der Struktur unserer Raumzeit, die von Einstein und seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden, festzustellen.

Originalartikel auf Englisch: Gravity Affects Time Flow