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Relativitätstheorie: Transportable Atomuhr misst Zeitdehnung in den Alpen

Mit einer Atomuhr im Pkw-Anhänger haben Forscher in einem Alpentunnel die gravitationsbedingte Zeitdehnung gemessen. Der genaue Uhrenvergleich gelang über eine direkte Glasfaserverbindung ins 1000 Meter niedriger gelegene Turin.

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Zeitdehnung in den Alpen gemessen

Mit einer Atomuhr im Pkw-Anhänger werden jetzt auch außerhalb der Labore hochgenaue Zeitmessungen möglich.

Die Auswirkungen der Gravitation auf die Zeit, wie sie Einsteins Relativitätstheorie beschreibt, haben Forscher mit einer transportablen Atomuhr in den Alpen gemessen und im direkten Uhrenvergleich nachgewiesen. Mit der Differenz der ermittelten Gravitationspotenziale lässt sich auf der Erde offenbar die Höhendifferenz genau bestimmen.

Optische Atomuhren sind hochkomplizierte Apparaturen und waren bis vor Kurzem nur in den Laboren einiger großer Forschungsinstitute zu finden. Eine transportable optische Strontiumuhr der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB, Braunschweig und Berlin, ermöglicht erstmals Messungen im Feld.

In einer internationalen Messkampagne gemeinsam mit dem britischen National Physical Laboratory und dem italienischen Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica ist die Uhr in ihrem schwingungsgedämpften und temperaturstabilisierten Pkw-Anhänger ins französische Modane Underground Laboratory gefahren, in der Mitte des Fréjus-Tunnels zwischen Frankreich und Italien.

Der speziell präparierte Pkw-Anhänger mit der transportablen optischen Strontiumuhr im Modane Underground Laboratory im Alpenmassiv.

(Bild: PTB)

Dort nahm das Team einen Vergleich mit einer zweiten Uhr im 90 km entfernten Turin vor – über eine Höhendifferenz von 1.000 m. Der genaue Uhrenvergleich gelang durch eine 150 km lange Glasfaserverbindung. Die dabei gemessene Differenz offenbart die Unterschiede der Gravitationspotenziale der beiden Standorte. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics veröffentlicht. Die Wissenschaftler erwarten nun, dass diese Methode künftig eingesetzt werden könne, um auf der Erde Höhenunterschiede von wenigen Zentimetern bestimmen zu können – wenn die transportable optische Atomuhr in ihrer Genauigkeit noch weiter optimiert werden kann.

Durch feinere Messungen des Gravitationspotenzials der Erde hoffen Wissenschaftler, Veränderungen des Meeresspiegels leichter erkennen zu können und damit besser übereinstimmende nationale Höhenreferenzsysteme zu etablieren. In der Vergangenheit hatten international unterschiedliche Höhenreferenzen bereits zu Problemen geführt, beispielsweise als beim Bau der Hochrheinbrücke zwischen Deutschland und der Schweiz am Ende beide Brückenteile einen Höhenunterschied von 54 cm aufwiesen. (agr)

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