Diese beiden Probleme lösen die Heidelberger Physiker, indem sie zwei Laserstrahlen in den Speicherring hineinschießen. Der eine verläuft genau parallel zum Ionenstrahl, der andere läuft ihm entgegen. Die Frequenzen dieser beiden Laser sind so eingestellt, dass sie Ionen mit einer bestimmten Geschwindigkeit zum Leuchten anregen. Sie picken sich gewissermaßen zwei verschiedene Geschwindigkeitsklassen heraus. Die Lichtausbeute dieser beiden Gruppen misst ein Photodetektor, der seitlich ins Strahlrohr schaut.

Variiert man nun die Frequenz des einen Lasers so lange, bis er dieselben Ionen anregt wie der andere Laser, so sinkt die Lichtausbeute, weil nur noch eine Geschwindigkeitsklasse leuchtet: Die beiden Laser müssen sich die Ionen dieser Geschwindigkeit teilen. Im Experiment bricht dann in dieser Situation plötzlich die Lichtausbeute ein – was sich sehr genau messen lässt. Glücklicherweise fügt es sich nun so, dass sich an diesem Punkt die Doppler-Effekte der antiparallelen Laserstrahlen genau aufheben und nur die Frequenzverschiebung durch die Relativitätstheorie übrig bleibt. Das Messergebnis hängt dann erstaunlicherweise nicht mehr von der Geschwindigkeit der Ionen ab. Nun müssen die Physiker noch die gemessene Lichtfrequenz der kreisenden Lithium-Ionen mit derjenigen von ruhenden vergleichen.

Auf diese Weise gelang es Guido Saathoff und seinen Kollegen, die Einsteinsche Formel für die Zeitdilatation bis auf weniger als ein Millionstel genau zu bestätigen. Dies entspricht einer Verbesserung des ursprünglichen Experiments von 1938 um das Zehntausendfache. Und noch immer scheinen die Möglichkeiten der Heidelberger Wissenschaftler nicht gänzlich ausgeschöpft zu sein. „Im Moment

	Wenn beide Laser genau dieselbe Frequenz haben, bricht die Intensität des von den Ionen ausgesandten Lichts ein.

ist die Genauigkeit unseres Wertes nicht durch unsere Messungen begrenzt, sondern durch die Kenntnis der Frequenz, die das Lithium-Ion im Labor aussendet, also die Ganggenauigkeit der ruhenden Uhr“, sagt Sascha Reinhardt. Er will das Problem deshalb im Rahmen seiner Doktorarbeit angehen.

Da die Messung der Ruhefrequenz auch wieder mit einem Laser geschieht, wird es nötig sein, diese zu kalibrieren. Wie so oft in der Physik werden Instrumente an einem gut bekannten und möglichst exakt gemessenen Standard geeicht. Die im Einstein-Experiment verwendeten Laser beispielsweise richten sich nach einer bestimmten Lichtfrequenz, die ein Jod-Atom ausstrahlt. Um die Laser noch exakter zu kalibrieren, wird Reinhardt mit ihnen nach Garching fahren. Am dortigen Max-Planck-Institut für Quantenoptik betreibt die Gruppe um Theodor Hänsch einen so genannte Frequenzkamm, mit dem sich die Jod-Emission mit höchster Präzision vermessen lässt.

Wenn das Team aus Heidelberg vielleicht bis zum Ende des Jahres das Letzte aus seiner Apparatur herausgeholt hat, kann es die Genauigkeit seiner Messung noch einmal um das Fünffache erhöhen. Danach müssen die Forscher andere Wege gehen, und einer führt eventuell zur Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Dort ließen sich Ionen auf größere Geschwindigkeiten bringen als im Heidelberger Beschleuniger. Der Effekt der Zeitdilatation wäre stärker ausgeprägt und somit auch exakter messbar. „Damit könnten wir noch einmal um das Zehnfache genauer werden“, sagt Sascha Reinhardt. Wird die Relativitätstheorie dann, hundert Jahre nach Einsteins „Wunderjahr“, erstmals Schwächen zeigen?

MaxPlanckForschung 1/2004; Autor: Thomas Bührke