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Einstein im freien Fall

Physiker wollen quantenoptischen Sensor im All testen und überprüfen dabei auch das Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie
Das Forscherteam

Teil des Berliner Raketenteams: Marc Christ, Julia
Pahl, Markus Krutzik, Franz Gutsch, Vladimir
Schkolnik, Bastian Leykauf und Klaus Döringshoff
(v.l.n.r) Abbildung: Peter Gotzner

Undeutlich ausgesprochen kann der Eindruck entstehen, die Arbeit von Dr. Markus Krutzik sei das Wetter. Auch wenn der charismatische Physiker aus der Arbeitsgruppe Optische Metrologie (Prof. Achim Peters, Ph.D.) problemlos als fernsehtauglicher Wetter-Prophet durchgehen könnte, so hat der junge Forscher sich Lasern, Quanten und Raketen verschrieben – nicht dem Wind. Das Messen physikalischer Größen ist seine Spezialität, und für sein aktuelles Forschungsprojekt MAIUS ist es die Schwerkraft.

Die Technologie, die er dafür in dem Projekt am Institut für Physik zusammen mit Kollegen entwickelt, könnte weitreichende Folgen auf allen Teilgebieten der Forschung haben und eine neue Art von besonders präzisen Sensoren hervorbringen: Quantensensoren. Mit denen ließe sich beispielsweise zukünftig der Klimawandel besser vermessen oder das Gravitationsfeld der Erde genauer kartographieren. Und präzisere Daten sind nicht nur für Forscher weltweit eine Goldgrube, um die Erde und ihren Aufbau besser zu verstehen. Die Industrie baut auf sie, sei es auf der Suche nach Rohstoffen tief unter der Oberfläche oder einfach nur für genauere Karten. Im extremsten Fall könnte Krutziks Forschung aber sogar einer der berühmtesten Theorien Ungenauigkeiten nachweisen und die physikalische Welt ins Wanken bringen. Die Allgemeine Relativitätstheorie beschäftigt sich intensiv mit der Schwerkraft und ist die Grundlage für unser GPS. Sie lässt sich mit dem MAIUS-Projekt ungewöhnlich genau überprüfen, um sie gegebenenfalls weiterzuentwickeln und an die Quantenwelt anzupassen.

Je kleiner die Ebene, desto mysteriöser scheinen die Vorgänge

Vorgänge, die in unserer fassbaren, makroskopischen Welt stattfinden, unterliegen physikalischen Gesetzen, die nicht nur Wissenschaftler einleuchten, sondern jeder im Alltag verinnerlicht hat. Ganz gleich, ob ein Apfel zu Boden fällt oder ein Mond kreist: Das Verhalten ist berechenbar und mit der eigenen Wahrnehmung im Einklang. Je kleiner jedoch die Ebene wird, in die Forscher unsere Welt zerlegen, desto mysteriöser und ungewohnter scheinen die Vorgänge. Geschwindigkeit und Orte von Objekten werden schwammig und unscharf. Sogar die Unterscheidung, ob ein Objekt Teilchen oder eine Welle ist, fällt schwer. Man betritt die Welt der Quantenphysik, die Welt der kleinsten

Teilchen Sensoren, die auf dieser Ebene arbeiten und die Krutzik und sein Team weiterentwickeln und anwendungstauglich machen, bestanden bis vor einigen Jahrzehnten nur theoretisch. Ihre Vorteile: Sie sind klein, energieeffizient und besonders empfindlich und schnell – perfekt fürs All. MAIUS ist daher eine Messapparatur für das kalte Vakuum und soll Mitte Januar in Nord-Schweden, zwischen Schnee und Rentieren und bei bis zu minus 30 Grad Celsius, auf einer Rakete in den Himmel befördert werden.

Lasersystem in der Schwerelosigkeit

Ein Testgerät für das MAIUS-Projekt

Dieses Vorgängerexperiment ist bereits im Weltall
geflogen und testet die für MAIUS entwickelte
Lasertechnologie. Abbildung: Peter Gotzner

Von seiner Bestimmung leitet sich auch der Name des Projekts MAIUS ab. Es ist ein MAteriewellenInterferometer Unter Schwerelosigkeit. Die Berliner Forscher konstruierten dabei das Lasersystem, das in der Schwerelosigkeit im All seinen Dienst verrichten soll. Das gesamte Vorhaben ist eine Zusammenarbeit verschiedener nationaler Universitäten und Forschungsinstitute, zu denen auch die Humboldt-Universität und das Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik der Leibniz-Gemeinschaft gehören. Gefördert wird das Vorhaben vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

Statt nur mit Laserlicht zu arbeiten, wie gewöhnliche Interferometer, die zwei Lichtwellen überlagern und bei kleinsten Unterschieden der Wellen ein deutlich ablesbares Muster erzeugen, nutzen die Physiker Materie. Sie überlagern Atome, genauer gesagt, deren Materiewellen. Dafür erzeugen sie im Weltraum sogenannte Bose-Einstein-Kondensate. Das ist ein besonderer Zustand von Materie, der bei einer Temperatur von nur einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt auftritt. Über das ungewöhnliche Verhalten dieser kalten Gaswolken dringen Krutzik und seine Kollegen dabei in die Quantenwelt und -physik vor.

Versuche in 250 Kilometern Höhe

In der ersten Phase des Projekts kühlen sie dafür eine Rubidium-Gaswolke stark herunter, die sie dann mit Laser manipulieren und vermessen. In späteren Projektphasen soll noch das Element Kalium hinzukommen, um den freien Fall der unterschiedlich schweren Elemente präzise mit dem Interferometer zu vergleichen.

In etwa 250 Kilometern Höhe werden die Versuche stattfinden. Die hochempfindlichen Geräte verbringen dort einige Minuten in Schwerelosigkeit. Die Physiker können so einen Zustand frei von störenden Einflüssen nutzen, der auf der Erde nur mit Mühe zu erzeugen ist. Schon in Vorgängerexperimenten stellten die Forscher in Falltürmen das All nach, um die Instrumente überhaupt konzipieren zu können.

Neben der Verkleinerung des Apparates, die eine Integration in die Rakete erst ermöglichte, sind die extremen Bedingungen beim Start eine Herausforderung gewesen, verrät Krutzik. Um den Quantensensor weltraumtauglich zu bekommen, waren zahlreiche Tests nötig. „Als wir das System auf Vibrationstischen das erste Mal auf seine Robustheit getestet haben, haben sich einige Schrauben rausgedreht“, berichtet er. Der Start sei eine große Belastung für den Versuchsaufbau. Und auch über die Abschirmung der empfindlichen Instrumente vor Außentemperaturen der Rakete von bis zu 250 Grad Celsius mussten sich die Forscher Gedanken machen.

Was genau ist Schwerkraft?

Auf theoretischer Ebene steht das sogenannte Äquivalenzprinzip als Fernziel der MAIUS-Missionen auf dem Prüfstand. „Es besagt, dass eine Feder und Bleikugel im freien Fall im Vakuum gleich schnell fallen“, so Krutzik. Das sei einer der Grundpfeiler der Allgemeinen Relativitätstheorie. „Wir wollen mit unterschiedlich schweren Atomen prüfen, ob das bis zur 13. Nachkommastelle gilt.“ Bisher lassen sich alle Teilgebiete der Physik gut in einer Quantentheorie vereinigen – bis auf die Schwerkraft. Daher sei es besonders elegant gerade diese Kraft mit Quantenobjekten zu untersuchen, um mögliche Abweichungen und Unstimmigkeiten aufzudecken, erklärt der Physiker.

Unabhängig davon, ob die Wissenschaftler um MAIUS Einsteins Theorie Ungenauigkeit nachweisen oder nicht: Neben der Einführung einer neuen Sensorentechnologie für Industrie und Alltag liefern sie einen außergewöhnlich präzisen Beitrag zur endgültigen Klärung der Frage: „Was genau ist Schwerkraft?“

Autor: Peter Gotzner

Weitere Informationen

Artikel: Einstein auf dem Prüfstand

Kontakte

Prof. Dr. Achim Peters
Humboldt-Universität zu Berlin
AG Optische Metrologie

Tel. 030.2093-4905
achim.peters@physik.hu-berlin.de

Dr. Markus Krutzik
Humboldt-Universität zu Berlin

Tel. 030 2093-4906
markus.krutzik@physik.hu-berlin.de

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