Es klingt wie Science Fiction, aber die Zeit, die Sie zwischen zwei Ereignissen erleben, hängt direkt von dem Weg ab, den Sie durch das Universum nehmen. Mit anderen Worten, Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie postuliert, dass eine Person, die mit einer Hochgeschwindigkeitsrakete reist, langsamer altern würde als Menschen auf der Erde.
Obwohl nur wenige Physiker bezweifeln, dass Einstein Recht hatte, ist es entscheidend, die Zeitdilatation mit der bestmöglichen Genauigkeit zu überprüfen. Ein internationales Forscherteam, darunter der Nobelpreisträger Theodor Hänsch, Direktor des Max-Planck-Optikinstituts, hat genau dies getan.
Tests der speziellen Relativitätstheorie stammen aus dem Jahr 1938. Aber als wir anfingen, regelmäßig ins All zu gehen, mussten wir lernen, täglich mit Zeitdilatation umzugehen. GPS-Satelliten sind beispielsweise im Grunde genommen Uhren im Orbit. Sie bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 14.000 Stundenkilometern weit über der Erdoberfläche in einer Entfernung von 20.000 Kilometern. Im Vergleich zu einer Atomuhr am Boden verlieren sie ungefähr 7 Mikrosekunden pro Tag, eine Zahl, die berücksichtigt werden muss, damit sie richtig funktionieren.
Um die Zeitdilatation mit einer viel höheren Präzision zu testen, beschleunigten Benjamin Botermann von der Johannes Gutenberg-Universität und Kollegen Lithiumionen auf ein Drittel der Lichtgeschwindigkeit. Hier kommt die Doppler-Verschiebung schnell ins Spiel. Alle Ionen, die auf den Beobachter zufliegen, werden blau verschoben, und alle Ionen, die vom Beobachter wegfliegen, werden rot verschoben.
Das Niveau, bei dem die Ionen eine Doppler-Verschiebung erfahren, hängt von ihrer Relativbewegung in Bezug auf den Beobachter ab. Dies führt aber auch dazu, dass die Uhr langsam läuft, wodurch das Licht aus Sicht des Betrachters rot verschoben wird - ein Effekt, den Sie im Labor messen sollten.
Das Team stimulierte also Übergänge in den Ionen mit zwei Lasern, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiteten. Dann hängen Verschiebungen der Absorptionsfrequenz der Ionen vom Doppler-Effekt ab, den wir leicht berechnen können, und von der Rotverschiebung aufgrund der Zeitdilatation.
Das Team überprüfte die Vorhersage der Zeitdilatation auf einige Teile pro Milliarde und verbesserte sich gegenüber früheren Grenzwerten. Die Ergebnisse wurden am 16. September in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.
