Zeit und Einstein im 21. Jahrhundert

In Heidelberg wird heute das Center for Quantum Dynamics (QCS) eröffnet. Von der modernen Quantenphysik die dort betrieben wird, verstehe ich nicht allzuviel; darum möchte ich darauf auch gar nicht weiter eingehen. Ich werde lieber über die Eröffnungsfeier berichten. Denn da hat heute amerikanische Nobelpreisträger Bill Phillips einen sehr interessanten Vortrag gehalten.

Phillips hat den Physik-Nobelpreis 1997 für seine Erforschung der Laserkühlung von Atomen erhalten. Diese Technik verwendet man unter anderem für den Bau und den Betrieb von Atomuhren. Diese extrem genauen Uhren sind heute nicht mehr wegzudenken und werden in vielen Bereichen eingesetzt (zum Beispiel bei der Satellitennavigation). 

Und sie hängen sehr eng mit den Theorien von Albert Einstein zusammen. Genau das ist das Thema von Phillips Vortrag mit dem Titel „Time and Einstein in the 21st century“.

Der Hörsaal im Kirchhoff-Institut für Physik war gut gefüllt. So gut gefüllt, dass einige Leute aus Sicherheitsgründen wieder rausgehen mussten. Immerhin gabs nebenan noch einen Hörsaal in dem man das ganze via Video verfolgen konnte (der Saal war dann auch schnell voll). Glücklichweise war ich früh genug da und konnte Phillips live sehen. Es hat sich gelohnt.

Der Vortrag began mit der plakativsten Verbindung von „Time“ und „Einstein“ – dem bekannten Titelbild der Zeitschrift Time mit dem am 31. Dezember 1999 Albert Einstein zur „Person of the Century“ gekürt wurde. Durchaus zu Recht – den Einstein hat die Wissenschaft und damit den Verlauf des ganzen Jahrhunderts dramatisch revolutioniert. Einstein hat sich mit einer ganz „simplen“ Frage beschäftigt: „Was ist Zeit?“ Seine Antwort darauf war ebenso „simpel“: Zeit ist das, was von einer Uhr gemessen wird…

Bill Phillips fragte nun weiter: Was ist eine Uhr? Seine Antwort: Etwas, dass uns eine Serie von periodischen Ereignissen liefert. Das konnte früher die Drehung der Erde um ihre Achse (Sonnenauf- und -untergang) oder um die Sonne sein – später dann die Schwingung eines Pendels oder die eines Quartzkristalls in einer modernen Uhr.

Aber all das ist nicht perfekt. Die Erde bewegt sich nicht absolut regelmäßig. Ein Pendel ändert z.B. durch Temperaturänderungen seine Schwingungsdauer. Und selbst die Quartzkristalle sind nicht identisch und verhalten sich von Uhr zu Uhr minimal anders. Anders ist es bei Atomen. Ein Atom eines bestimmten Elements ist mit allen anderen Atomen dieses Elements absolut identisch und alle verhalten sich immer gleich. Die besten Uhren sind also die, die auf den Eigenschaften der Atome basieren – die Atomuhren.

Ganz simpel gesagt funktioniert eine Atomuhr so: man nimmt ein Gas aus Caesium-Atomen (es muß Caesium sein, weil darauf der Zeitstandard basiert). Diese Atome „ticken“ auf eine bestimmte Art und Weise (physikalisch gesehen geht es um Übergänge zwischen den Zuständen der Atome) und bewegen sich fort – entlang einer Strecke von etwa einem Meter. Am Anfang dieser Strecke wird mit dem Atomticken eine Uhr synchronisiert – am Ende der Strecke vergleicht man, wie sehr die Uhr davon abgewichen ist und korrigiert entsprechend.

Mit dieser Methode lassen sich hohe Genauigkeiten erreichen. Allerdings stößt man bald auf prinzipielle Probleme. Denn wenn die Atome sich bewegen, dann stößt man bei Messungen schnell auf den Dopplereffekt – also eine wahrgenommene Frequenzänderung verursacht durch die Bewegung. Das stört die Messungen. Und viel schlimmer: es gibt auch noch die relativistische Zeitdilatation die in Einsteins spezieller Relativitätstheorie beschrieben wird. Bewegte Uhren gehen langsamer. Je schneller sich die Atome also bewegen, desto langsamer „ticken“ sie. Und diesen Effekt kann man niemals vermeiden – die einzige Möglichkeit die man hat, ist die Atome langsamer zu machen. Je langsamer sie sind, desto geringer ist die Zeitdilatation.

Aber wie kühlt man Atome? Wie kühlt man überhaupt Dinge? Jetzt kommt der Showteil des Vortrags der den Hörern und auch Phillips am meisten Spaß gemacht hat. Mit einer großen Flaschen voll mit flüssigen Stickstoff macht sich Phillips daran, die Dinge zu kühlen. Er zeigt das der eiskalte Stickstoff sofort zu kochen anfängt und verdampft wenn man ihn auf den (aus sich des Stickstoffs) brennend heißen Boden leert. Er macht die klassischen Experimente und kühlt Blumen und Gummibälle die danach zerbrechen. Und er weißt immer wieder darauf hin, dass man mit so einer Kälte eigentlich auch wunderbar Gase – zum Beispiel ein Gas aus Caseiumatomen? – kühlen können müsste. Um das zu demonstrieren bläst er jede Menge Luftballons auf und steckt sie eine Kiste voller flüssigen Stickstoff. Nun stellt sich allerdings heraus, dass das doch keine so gute Idee war. Denn das Gas in den Ballons – die Luft – ist durch die Kühlung flüssig geworden und so geht es auch mit andern Gasen. Kühlt man sie, werden sie irgendwann flüssig bzw. fest. Dann kann man damit aber keine Atomuhr mehr betreiben!

Bild: CQD

Man muss die Atome also auf eine andere Art und Weise kühlen. Sie einfach in Kontakt mit etwas sehr kalten zu bringen, klappt nicht. Hier kommt nun die Laserkühlung ins Spiel für die Phillips seinen Nobelpreis bekommen hat. Denn wie wir – ebenfalls seit einer Arbeit von Einstein – wissen, besteht Licht aus Photonen und die wechselwirken mit Materie. Man kann also mit (Laser)Licht eine Kraft auf Atom ausüben. Und zwar dann, wenn dieses Licht genau die richtige Frequenz hat und es von den Atomen absorbiert wird.

In der Praxis muss man auch hier den Dopplereffekt berücksichtigen. Die Atome bewegen sich ja und „sehen“ eine andere Frequenz als die, die die Laserquelle aussendet. Man wählt also Laserlicht mit einer Wellenlänge die ein bisschen röter ist als die, die die Atome eigentlich absorbieren würden. Bewegt sich nun ein Atom genau auf die Quelle zu, dann sieht es genau die richtige Frequenz und absorbiert das Photon. Wenn es sich in eine andere Richtung bewegt, dann klappt das natürlich nicht. Aber man braucht die Atome nur aus allen Richtungen mit dem Laser anstrahlen – und schon funktionierts und das Gas wird kühler.

Ein Problem bleibt allerdings. Die Atome werden nie ganz zum Stillstand kommen – sie bewegen sich immer ein kleines bisschen. Angenommen, ein Atom wäre gerade im Grundzustand und in Ruhe, dann würde es als nächstes ein Photon aus irgendeiner Richtung aufnehmen und anfangen sich ein wenig zu bewegen. Dann gibt es das Photon wieder irgendwo hin ab und bewegt sich durch den „Rückstoß“. Einerseits wird das Atom also dadurch sich immer irgendwo hin bewegen wollen – andererseits sorgt die genaue Frequenzabstimmung des Laserlichts für eine ständige Kühlung. Man kann nun ausrechnen, wann sich bei diesen beiden Effekten ein Gleichgewicht einstellt und wie kalt ein Gas aus bestimmten Atomen werden kann. Für Natrium ist das z.B. bei einer Temperatur von 240 Mikrokelvin! Kälter kann das Gas nicht werden.

Dachte man zumindest… 1985 haben Steven Chu (ebenfalls ein Nobelpreisträger) und seine Kollegen die Temperatur von auf diese Weise gekühlten Natrium-Gas gemessen. Das allein war schon knifflig genug – denn man kann da ja nicht einfach ein Thermometer reinstecken. Chu löste das Problem auf elegante Weise. Das Experiment wurde ja sowieso in einem Vakuum durchgeführt. Das gekühlte Gas nahm nur einen sehr kleinen Raum ein (die Atome bewegen sich ja kaum und sind in einer Art „optischen Molasse“ gefangen). Schaltet man die Kühlung kurz aus, macht das Gas das, was Gase im Vakuum immer tun: es dehnt sich aus. Dann kühlt man wieder und schaut nach, wieviel von dem Gas noch im ursprünglichen Volumen ist. Da die Ausdehnunggeschwindigkeit von der Temperatur abhängt, kann man die nun berechnen. Und sie betrug genau den theoretisch vorhergesagten Wert von 240 Mikrokelvin.

1988 haben Phillips und sein Kollegen allerdings in einem ähnlichen Experiment Caesium-Atome mit einer Temperatur von 700 Nanokelvin gemessen! Das ist zweihundertmal kälter als sie eigentlich sein dürften! Sie waren also deutlich kälter als erlaubt. Eine Theorie, die etwas verbietet, was in der Realität stattfindet kann aber nicht wirklich korrekt sein – also musste man eine neuen Theorie suchen. Die wurde auch gefunden – aber Phillips hat sie leider nicht erklärt (und ich bin nicht Fachmann genug um sie erklären zu kennen). Jedenfalls war es mit diesem neuen theoretischen Unterbau möglich, die Atome sehr kühl zu bekommen. Anstatt mit mehreren hundert Metern pro Sekunde bewegten sie sich nun nur mehr mit einer thermischen Geschwindigkeit von einem Zentimeter pro Sekunde!

Das Problem war jetzt nur: mit solchen langsamen Atomen kann man keine Atomuhr im üblichen Design bauen! Die langsamen Atome würden die Strecke von einem Meter zwischen Synchronisation- und Korrekturstation nicht mehr schaffen. Man baute also „atomare Brunnen“ in denen die Atome quasi in die Luft geworfen werden und dann einfach wieder runterfallen. Dazwischen synchronisiert und korrigiert man damit die Uhr. Solche Atomic Fountain Clocks gehören zu den genausten Uhren und machen in 100 Millionen Jahren nur einen Fehler von einer Sekunde!

Man bekommt die Atome noch kühler, wenn man sie richtig speichert. Natürlich kann man diese Atome, die kälter sind als alles andere im Universum nicht einfach in irgendeinen Behälter geben – jede Materie wäre dramatisch viel wärmer und ungeeignet zur Speicherung. Die muss durch magnetische Kräfte erfolgen und mit so einer magnetischen Falle kann man die kalten Atome nicht nur speichern, man kann auch diejenigen der Atome, die ein bisschen wärmer sind als die anderen, absondern. Genauso macht man es ja auch mit heißer Suppe oder Tee: man pustet drauf und die Moleküle, die sich am schnellsten bewegen (und damit am heissesten sind) werden weggeblasen. Der Rest der Flüssigkeit hat nun eine niedrigere Durchschnittstemperatur.

Geschwindigkeitsverteilung von Atomen in Rubidium-Gas. Links ist noch nichts kondensiert. In der Mitte und rechts gibt es einen deutlichen Peak – ein Bose-Einstein-Kondensat (BILD: NIST)

Mit dieser Art der Kühlung kann man das Gas nochmal kälter machen – und schaffte es, eine der seltsameren Vorhersagen von Albert Einstein zu bestätigen. Der sagte 1924 voraus, das bei einem Gas, das kalt und dicht genug ist, eine große Menge an Atomen aufhört sich zu bewegen. Einstein hat hier natürlich noch nicht die Heisenbergsche Unschärferelation bzw. ganz allgemein die Quantenmechanik berücksichtigt – heute wissen wir, dass ein Atom nie wirklich aufhören kann sich zu bewegen aber innerhalb dieser Grenzen bleibt Einsteins Vorhersage korrekt und das was er (gemeinsam mit Satyendranath Bose) vorhergesagt hat, nennt man heute Bose-Einstein-Kondensat. 1995 konnte es mit superkalten Rubidiumatomen erstmals hergestellt werden.

Was macht man noch so alles mit diesen kalten Atomen? Man baut bessere Atomuhren! Und die benutzt man beispielsweise um herauszufinden, ob die Naturkonstanten wirklich konstant sind. Denn wenn man wissen will, ob die sich vielleicht doch im Laufe der Zeit ändern, muss man die Zeit genau genug messen können. Man kann mit solchen kalten Atomen vielleicht bessere Quantencomputer bauen. Man kann damit die existieren Theorien mit einer extrem hohen Genauigkeit prüfen. Mit Atomuhren wurden ja schon 1971 im berühmten Hafele-Keating-Experiment die relativistische Zeit-Dilatation bestätigt. Aber auch die allgemeine Relativitätstheorie zeigt sich in den Atomuhren. Hier wird ja der Einfluss der Gravitationskraft auf die Zeit beschrieben und die Theorie besagt, dass Uhren umso langsamer gehen, je näher sie der Erdoberfläche sind. Mittlerweile sind die Atomuhren genau genug, um auch das messen zu können. Die Stadt Boulder, in der die Atomuhr steht, die den amerikanischen Zeitstandard vorgibt, liegt auf 1655 Meter Höhe. Will man die von ihr angezeigte Zeit mit gleicher Genauigkeit für eine Stadt auf Meereshöhe umrechnen, muss man die Position der Uhr (in der Höhe) auf wenige Zentimeter genau kennen. Und selbst das reicht momentan nicht aus, weil das Gravitationsfeld der umliegende Berge die Korrektur noch komplizierter macht. Wie Phillips erklärte, ist es zur Zeit nicht möglich, die in Boulder gemessene Zeit mit gleicher Genauigkeit irgendwo anders hin zu „exportieren“ weil man das lokale Gravitationsfeld noch nicht gut genug vermessen hat um die gravitative Zeitdilatation korrigieren zu können…

Man kann also mit den gekühlten Atomen jede Menge tolle Sachen machen. Aber, wie Phillips anmerkt: Wahrscheinlich sind uns die wichtigsten Anwendungen für die Laserkühlung noch nicht eingefallen!