Sind Naturkonstanten wirklich konstant?

Eine Naturkonstante sollte immer den gleichen Wert besitzen, unabhängig davon, zu welcher Zeit oder an welchem Ort sie bestimmt wird. Auch Einsteins Allgemeine Relativitäts­theorie nutzt diese grund­legende Annahme, die als lokale Positions­invarianz, kurz LPI, bezeichnet wird. Wissen­schaftler der Physika­lisch-Tech­nischen Bundes­anstalt konnten jetzt die Gültig­keit der LPI mit einem deutlich verbes­serten experi­men­tellen Test unter­mauern. Motiviert sind ihre Unter­suchungen durch moderne String­theorien, die LPI-Verletzungen, zum Beispiel zeit­lichen Varia­tionen von Natur­konstanten, vorher­sagen. Bei ihrer Suche nach einer experi­men­tellen Bestätigung solcher neuen Physik nutzten die Forscher der PTB den Vergleich ihrer hoch­genauen Atom­uhren und konnten Ergebnisse früherer Experi­mente bis zu zwanzig­fach verbessern.

Wichtige Natur­konstanten sind die Fein­struktur­konstante α, die die Stärke der elektro­magnetischen Wechsel­wirkung beschreibt, und das Massen­verhältnis von Proton und Elektron µ. Diese Größen gehen in den Aufbau aller Atome und Moleküle ein. Sie beein­flussen die atomaren Energie­skalen und damit auch Energie­unter­schiede zwischen atomaren Zuständen, die in Atom­uhren als Referenz­frequenz genutzt werden. Die Empfind­lich­keit der Energie­unter­schiede gegen­über den Natur­konstanten hängt stark vom jeweiligen atomaren System ab. So verändert sich die Frequenz der Cäsium-Uhr, mit der die Basis­einheit der Zeit Sekunde realisiert wird, bei einer Varia­tion von µ und von α. Frequenzen optischer Atom­uhren zeigen keine Abhängig­keit von µ, können aber zur Detektion von α-Varia­tionen genutzt werden.

Besonders geeignet hierfür ist das Ytterbium-Ion, das zwei optische Referenz­über­gänge mit stark unter­schied­licher Abhängig­keit von α besitzt. Ein kombi­nierter Vergleich von Ytterbium- und Cäsium-Uhren erlaubt somit eine Suche nach Verände­rungen sowohl von α als auch von µ. Diesem Ansatz folgend verglichen Forscher der PTB ihre hoch­genauen Atom­uhren über einen Zeit­raum von mehreren Jahren und stellten fest, dass Änderungen im Wert von α pro Jahr höchstens ab der 21. Nach­komma­stelle auftreten können.

Das ist die erste signifikante Verbesserung der Grenze einer möglichen zeit­lichen Variation von α seit über zwölf Jahren, mit einer um den Faktor 20 höheren Genauigkeit. Für Änderungen von µ wurde das bisherige Limit um den Faktor 2 verbessert. Neben der Ein­schränkung einer poten­ziellen zeit­lichen Veränderung begrenzen die Daten eben­falls eine mögliche räum­liche Abhängig­keit der Natur­konstanten vom Gravitations­potenzial der Sonne auf der Erd­um­lauf­bahn.

Im Rahmen der Messungen wurde außerdem die Frequenz einer der beiden Ytterbium-Uhren mit höchster Präzision bestimmt. Die bei 642×10¹² Hz liegende Frequenz wurde mit einer Genauig­keit von 0,08 Hz ermittelt und stellt die bisher genaueste Messung einer optischen Frequenz mit Cäsium-Uhren dar.

PTB / RK

Weitere Infos

Originalveröffentlichung

• R. Lange et al.: Improved Limits for Violations of Local Position Invariance from Atomic Clock Comparisons, Phys. Rev. Lett. 126, 011102 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.011102
• AG Optische Uhren mit gespeicherten Ionen, Abt. Optik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig