Test bestanden

Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit wurde mit zehnfach höherer Genauigkeit als bisher überprüft.

Das von Einstein aufgestellte Relativitätsprinzip besagt, dass die Ergebnisse von nichtgravitativen Experimenten, die in Inertialsystemen durchgeführt werden, nicht vom Bewegungszustand oder von der Orientierung des Experimentaufbaus abhängen. Beispielsweise ist die elektrische Anziehungskraft zweier Ladungen immer gleich groß, unabhängig davon, ob sich die Ladungen in einem Labor auf der Erde oder auf der internationalen Raumstation befinden. Diese Unabhängigkeit impliziert, dass es kein (durch Experimente) ausgezeichnetes Bezugssystem gibt. Das Relativitätsprinzip (die Lorentz-Invarianz) ist eine der Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie, die ihrerseits Bestandteil der heutigen Theorien der vier Naturkräfte ist.

Das Relativitätsprinzip ist ein experimentelles Gesetz, und ist als solches nur so genau bestätigt, wie es sich durch Präzisionsexperimente testen lässt. Das historisch erste wurde von Michelson 1881 durchgeführt und später von Michelson und Morley 1889 mit höherer Genauigkeit wiederholt. Es zeigte, dass die Geschwindigkeit von Licht gleich groß ist, unabhängig davon, in welche Richtung der Lichtweg ausgerichtet ist. Motivation für die damaligen Experimente war der Nachweis der Bewegung der Erde relativ zum Äther. Die hohe Genauigkeit erzielte Michelson durch das von ihm erfundene Interferometer, welches Licht in zwei senkrecht zu einander stehende Teilstrahlen aufspaltet, sie an Spiegeln reflektieren lässt und dann an einem teildurchlässigen Spiegel wieder zur Interferenz bringt. Der Nachweis der Richtungsunabhängigkeit gelingt erst, wenn die Apparatur gedreht wird; dabei wird keine Veränderung der Inteferenzerscheinung festgestellt. Natürlich gilt dies nur bis auf unvermeidliche Störungen. Bei dem Aufbau ist insbesondere dafür zu sorgen, dass die differentielle Längenänderung der Arme minimal ist.

Das Relativitätsprinzip tritt natürlich in vielen Situationen in Erscheinung. Geht es um präzise Tests dieses Prinzips im Zusammenhang mit dem elektromagnetischen Feld, so ist die Durchführung von Tests der Isotropie der Lichtausbreitung wegen der erreichbaren hohen Empfindlichkeit stets von besonderem Interesse gewesen.

Über die Jahrzehnte ist sie daher durch zahlreiche Forscher immer wieder mit verbesserten Experimenten und neuen Methoden getestet worden. Einen großen Sprung in der Genauigkeit erfolgte 1979, als erstmals statt Interferometer kompakte und stabile optische Resonatoren eingesetzt wurden, die zudem durch Laserlicht bestrahlt wurden. Dieses Experiment war etwa 200.000-mal genauer als Michelsons erstes Experiment.

In der heutigen Zeit haben Experimente zum Relativitätsprinzip zusätzliche Bedeutung erhalten. Man geht davon aus, dass eines oder mehrere der fundamentalen Prinzipien der Physik (z. B. Äquivalenzprinzip, Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen, Konstanz der Naturkonstanten, etc.) nur genähert gültig sind. Viele theoretischen Modelle, die Ansätze zur einer vereinheitlichten Beschreibung der Naturkräfte versuchen, deuten darauf hin. Entsprechend groß sind weltweit inzwischen die experimentellen Anstrengungen geworden, um nach möglichen Abweichungen zu suchen.

Das Kernstück des Experiments: zwei optische Saphirresonatoren in Haltern. Optische Fasern transportieren das Laserlicht zu den Resonatoren zwecks Abfrage ihrer Frequenzen. (Quelle: Schiller et al.)

Die Gruppe um Stephan Schiller von der Universität Düsseldorf hat kürzlich ein Experiment vorgestellt, das die Isotropie der Lichtgeschwindigkeit fast dreißig Mal genauer verifiziert hat als das Experiment von 1979. Als Technik wurden auch hier optische Resonatoren eingesetzt, die aus Saphirkristallen bestehen und in einem Kryostaten auf 3.5 Kelvin abgekühlt wurden. Dies ermöglichte eine hohe Längenstabilität der Resonatoren. In einer ersten Version des Experiments im Jahr 2003 waren die Resonatoren noch stationär im Labor; die Erdrotation bewirkte die erforderliche Änderung der Orientierung der Apparatur. In der neuen Apparatur wurde der gesamte Aufbau periodisch hin- und zurückgedreht. Damit ließ sich in erheblich kürzerer Messzeit eine etwa zehnfach höhere Genauigkeit erzielen.

Geht es noch genauer? Stephan Schiller und sein Team planen einen neuen, nochmals deutlich verbesserten Aufbau; eine weitere Steigerung der Genauigkeit um eine Größenordnung erscheint in naher Zukunft möglich.

Quelle: Uni Düsseldorf

Weitere Infos:

• Veröffentlichung des Experiments:
  P. Antonini et al., Test of constancy of speed of light with rotating cryogenic optical resonators, arXiv:gr-qc/0504109.
  http://arxiv.org/PS_cache/gr-qc/pdf/0504/0504109.pdf
• Quantum Optics and Relativity:
  http://www.exphy.uni-duesseldorf.de
• Übersichtsartikel zu Tests der Speziellen Relativitätstheorie:
  C. Lämmerzahl, "Die Spezielle Relativitätstheorie auf dem Prüfstand", Physik-Journal 3/2005 S. 77
• Die Rolle der SRT in der ART: Artikel von C. Will in:
  http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2001-4/index.html
• Allgemeine Artikel zu Tests der SRT:
  http://cfa-www.harvard.edu/Walsworth/Activities/Popular.html
• Moderne Theorie zur Beschreibung der Verletzung der Lorentz-Invarianz:
  http://www.physics.indiana.edu/~kostelec/faq.html
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Konstanz der Lichtgeschwindigkeit finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. mit Hilfe der Kategorieverknüpfung Optik+Publikationen.