Mikro-integrierter Extended Cavity Diode Laser (ECDL) für die Spektroskopie an Rubidium-Atomen im Weltraum.
FBH / P. Immerz
Mit der „optischen Atomuhr“ der Gravitations-Rotverschiebung auf der Spur. So wollen Forscher Albert Einsteins Theorie klären, ob alle Arten von Uhren in gleicher Weise durch die Gravitation beeinflusst werden.
Die Vorhersagen Albert Einsteins haben Generationen von Wissenschaftler beschäftigt. Vor allem die Frage nach der korrekten Zeit bereitet große Schwierigkeiten. So hat der Physiker Einstein die Theorie aufgestellt, dass Uhren umso langsamer, je tiefer sie sich im Gravitationspotential einer Masse befinden. Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie wird dieser Effekt als Gravitations-Rotverschiebung bezeichnet. Er zeigt sich an Spektrallinien, die sich zum roten Ende des Spektrums hin verschieben.
Die Allgemeine Relativitätstheorie, wie sie die Sprinter-Autoren Bernd Sonne und Reinhard Weiß in „Einsteins Theorien“ allgemein verständlich erklären, sagt auch voraus, dass der Gang aller Uhren in gleicher Weise von der Gravitation beeinflusst wird, unabhängig davon, wie diese Uhren physikalisch oder technisch realisiert sind. Neuere Theorien der Gravitation lassen allerdings vermuten, dass die Art der Uhr sehr wohl Einfluss auf die Stärke der Gravitations-Rotverschiebung hat.
Das wollten Forscher des vom Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR) finanzierten Projekts FOKUS nun genau wissen und schickten verschiedene Uhrentypen mit einer Höhenforschungsrakete TEXUS in den Weltraum. Dort herrschen beste Testbedingungen, denn das Gravitationspotenzial variiert hierbei besonders stark. So lässt sich prüfen, ob sich der Gang der Uhren tatsächlich unterscheidet – und schließlich auch, ob eine der neueren Gravitationstheorien eine genauere Beschreibung als Einstein liefert.
Prinzip Quarzuhr, nur Millionen Mal schneller
Die ersten Experimente im Weltraum wurden nun erfolgreich durchgeführt: Ein Team von Wissenschaftlern hat einen hochstabilen Quarzoszillator, der wie eine moderne Armbanduhr im Radiofrequenzbereich „tickt“, und ein komplettes Lasersystem zum Vergleich in den Weltraum geschossen. Herzstück des Lasersystems ist ein mikrointegriertes Halbleiterlasermodul, das am Berliner Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) entwickelt, gebaut und getestet wurde.
Die Gesamtintegration des Lasersystems fand im Übrigen an der Humboldt-Universität zu Berlin statt. Die Frequenz der Halbleiterlaser wird in einem von der Universität Hamburg entwickelten Modul auf einen atomaren Übergang des Rubidium-Atoms stabilisiert. Diese Rubidium-Atome liefern im Verbund mit den Lasern eine „optische Atomuhr“, die physikalisch nach einem anderen Prinzip als die Quarzuhr arbeitet und etwa zehn Millionen Mal schneller „tickt“ als diese. Für den Vergleich des Gangs der beiden Uhren wird ein von der projektleitenden Firma Menlo Systems entwickelter optischer Frequenzkamm eingesetzt.
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Die Wissenschaftler demonstrierten mit den Tests erstmals, dass derartige „optische Atomuhren“ und die dafür benötigten Lasersysteme im Weltraum für Tests der Gravitations-Rotverschiebung und andere Präzisionsmessungen eingesetzt werden können. Und sie haben damit auch die technologischen Grundlagen für Tests des Einstein‘schen Äquivalenzprinzips mit Kalium- und Rubidium-Atominterferometern im Rahmen des Projektes MAIUS gelegt. MAIUS ist Teil der DLR-geförderten QUANTUS-Mission, bei der neue quantenphysikalische Technologien entwickelt werden sollen, mit denen sich Atome kühlen, einfangen und manipulieren lassen. Auch die weitere Miniaturisierung der Lasermodule soll vorangetrieben und ein vollautomatisierter Quantensensor im All getestet werden. Langfristiges Ziel ist hier die Überprüfung des Einstein’schen Äquivalenzprinzips, nach dem alle Körper in einem Gravitationspotential „gleich schnell fallen“.
Mit Material vom Forschungsverbund Berlin e.V.