Die Zeit vergeht nicht so konstant, wie man meinen könnte – die Schwerkraft verlangsamt sie, sodass Uhren auf der Erdoberfläche langsamer laufen als im Weltraum. Nun haben die Forscher den Zeitablauf bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten im Abstand von nur einem Millimeter gemessen.
Die Idee, dass die Zeit von der Schwerkraft beeinflusst wird, wurde erstmals 1915 von Albert Einstein als Teil seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschlagen.
Raum und Zeit sind untrennbar miteinander verbunden, und große Massen verzerren mit ihrem enormen Gravitationseinfluss das Gewebe der Raumzeit.
Dies führt dazu, dass die Zeit langsamer fließt, wenn sie sich einer großen Masse wie einem Planeten, einem Stern oder im extremsten Fall einem Schwarzen Loch nähert. Dieses Phänomen ist als Zeitdilatation bekannt.
Auf der Erde bedeutet Zeitdilatation tatsächlich, dass die Zeit in größeren Höhen schneller vergeht. Zum Beispiel vergeht die Zeit auf dem Gipfel des Everest schneller als auf Meereshöhe.
Das gilt aber auch bei kürzeren Distanzen – wer in einer Wohnung im 10. Stock wohnt, altert schneller als jemand im Erdgeschoss, und sogar der Kopf altert schneller als die Füße.
Natürlich sind die Unterschiede im Zeitfluss in diesen Entfernungen so gering, dass sie kaum wahrnehmbar sind, aber sie können mit Atomuhren gemessen werden, die die Zeit durch das zuverlässige „Ticken“ von Atomen sehr genau anzeigen.
Durch den Vergleich von Atomuhren auf Satelliten und Flugzeugen mit denen am Boden konnten Wissenschaftler die Zeitdilatation über Entfernungen von bis zu Tausenden von Kilometern messen. Aber in einer neuen Studie haben Wissenschaftler von JILA die Zeitdilatation im bisher kleinsten Abstand gemessen - nur einen Millimeter.
Für diese Messung verwendete das Team eine Atomuhr, die aus einer ultrakalten Wolke aus 100.000 Strontiumatomen bestand.
Verlangsamung der Zeit mit Lichtgeschwindigkeit
Warum verlangsamt sich die Zeit aufgrund der Schwerkraft und der Lichtgeschwindigkeit?
Das Ticken der Uhr kommt von Atomen, die zwischen zwei Energieniveaus hin und her wechseln, was sie mit einer äußerst zuverlässigen Frequenz tun. Durch sorgfältige Kontrolle dieser Energiezustände gelang es den Wissenschaftlern, alle Atome in der Wolke 37 Sekunden lang perfekt im Einklang arbeiten zu lassen, eine Rekordzeit.
In dieser Atomuhr wurden die Atome in ein optisches Gitter geladen, das sie wie einen Pfannkuchenstapel in mehreren dünnen Schichten stapelt. Sobald die Atome gemeinsam zu ticken begannen, verwendeten die Wissenschaftler äußerst präzise bildgebende Verfahren, um das Ticken an der Oberseite des Stapels im Vergleich zur Unterseite zu messen.
Tatsächlich fanden sie aufgrund der Zeitdilatation einen Unterschied zwischen den beiden Bereichen. Die Frequenzverschiebung war natürlich winzig, nur 0,00000000000000000001, aber dennoch messbar.
Wissenschaftler sagen, dass diese Arbeit nicht nur dazu beitragen könnte, Atomuhren 50-mal genauer zu machen, als sie es jetzt sind, sondern auch neue Werkzeuge eröffnen, um die Geheimnisse der Physik zu erforschen.
Derzeit kann die Schwerkraft nicht mit Quantenphysik erklärt werden, aber die Möglichkeit, ihren Einfluss auf immer kleineren Skalen zu messen, könnte ihre Geheimnisse lüften und vielleicht das fehlende Bindeglied zwischen Quanten- und klassischer Physik enthüllen.
Das wichtigste und aufregendste Ergebnis ist, dass wir die Quantenphysik möglicherweise mit der Schwerkraft in Verbindung bringen können, indem wir beispielsweise die komplexe Physik erforschen, bei der Teilchen an verschiedenen Orten in der gekrümmten Raumzeit verteilt sind, sagte Jun Ye, Hauptautor der Studie.
In der Lage zu sein, Zeitunterschiede in einem so winzigen Maßstab zu messen, könnte es uns beispielsweise ermöglichen, zu entdecken, dass die Schwerkraft die Quantenkohärenz bricht, was der Grund dafür sein könnte, warum unsere Welt im Makromaßstab klassisch ist.
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Nature erschienen. Die Wissenschaftler erklären ihre Arbeit im folgenden Video.
2022-02-18 13:09:55
Autor: Vitalii Babkin