Laserexperimente im Weltraum

Wackelt Albert Einsteins Äquivalenzprinzip?

Wer Albert Einstein herausfordern will, braucht einen langen Atem. Zumindest lang genug, um ein ausgeklügeltes, hochsensibles Experiment im Weltraum durchzuführen. Daran arbeiten Physiker der Humboldt-Universität zu Berlin (HU).

Achim Peters, Professor für Optische Metrologie, und sein Team, das von Markus Krutzik koordiniert wird, entwickeln ultrapräzise und extrem robuste Lasersysteme. Sie wollen unter anderem untersuchen, ob sich in Experimenten ein Widerspruch zu Albert Einsteins Äquivalenzprinzip finden lässt. Es besagt, wie es auch schon Galileo Galilei postulierte, dass im Vakuum, also ohne Luftwiderstand, alle Körper gleich schnell fallen, unabhängig von Form und Gewicht. Die Schwerkraft wirkt also auf eine Vogelfeder genauso wie auf eine Kanonenkugel.

Der freie Fall

Wie schnell Objekte fallen, untersuchen die Physiker um Peters im Rahmen des großen Forschungsprojektes „QUANTUS – Quantengase Unter Schwerelosigkeit“, das seit 2004 vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mittlerweile in seiner dritten Phase gefördert wird. Zu den zahlreichen Partnern gehören die Universitäten in Hannover, Bremen, Hamburg, Ulm, Darmstadt und das in Berlin-Adlershof benachbarte Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik. Dort entstehen die Hochleistungslaser im Miniaturformat, die die HU-Forscher zu einem hochkomplexen und präzisen optischen Experiment verbauen.

Gravitationsfeld der Erde vermessen

Damit ihre Versuche genau genug sind, um auch kleinste Abweichungen zu messen, lassen die Forscher winzige und sensible Objekte fallen: eine Wolke aus Atomen. Sie ist durch Laser- und Magnetfelder so nah an den absoluten Nullpunkt der Temperatur abgekühlt, dass sich alle Atome gleich verhalten und wie ein einziges großes Atom erscheinen. Bose-Einstein-Kondensat (BEC) nennt sich dieser Zustand. Er kann – gemäß des Welle-Teilchen-Dualismus der Quantentheorie – auch als Materiewelle mit einer sehr genau bestimmten Wellenlänge betrachtet werden.

Im freien Fall wird diese Welle mithilfe der präzisen Laser aufgespalten und nach einer gewissen Wegstrecke wieder überlagert. Dabei entstehen Interferenzmuster, die den Forschern verraten, wie schnell die Teilchen gefallen sind, wie stark also die Beschleunigung durch das Gravitationsfeld der Erde war.

„So können wir das Gravitationsfeld der Erde sehr genau vermessen“, sagt der Doktorand im Projekt, Vladimir Schkolnik. „Das ist nicht nur von theoretischem Interesse, sondern hilft auch beim Aufspüren von Rohstoffen wie Erdöl oder Erdgas.“ Genau diese Kombination aus sehr grundlegenden Fragen und hohem Anwendungspotenzial ist es, was den Doktoranden an seiner Arbeit fasziniert.

Experiment mit raketentauglichem Aufbau

Um Einsteins Äquivalenzprinzip zu überprüfen, muss man zwei atomare Spezies mit unterschiedlicher Masse gleichzeitig beobachten, etwa Rubidium und Kalium. Fallen sie unterschiedlich schnell, wäre dies der Gegenbeweis. Weil der Effekt – wenn er denn existiert – so klein ist, dass er bisher noch nie nachgewiesen werden konnte, planen die Forscher, ihr Experiment im Weltraum auszuführen. „Dort herrscht quasi permanent Schwerelosigkeit, sodass man das Experiment sehr viel länger und häufiger durchführen kann. Dadurch wird die Messung wesentlich präziser als bei uns im Labor“, erläutert Schkolnik.

Dafür müssen die Forscher ihr aufwendiges Experiment noch aufwendiger umbauen. „Es muss nicht nur sehr kompakt realisiert werden, sondern auch sehr robust sein und automatisch funktionieren“, sagt der Physiker. Die vielen Laser, Spiegel und anderen optischen Elemente, die zuvor auf einem großen Labortisch Platz hatten und von Elektronik in mehreren Regalen angesteuert wurden, müssen nun in einen raketentauglichen Aufbau integriert werden. Die Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen dürfen ihm ebenso wenig anhaben wie kleinere Störungen, die eine automatisierte Versuchssteuerung selbstständig erkennen und korrigieren muss.

Als Vorbereitung auf den Weltraum haben die QUANTUS-Forscher schon einige Hundert erfolgreicher Experimente im Bremer Fallturm durchgeführt. Dort sind im freien Fall immerhin bis zu neun Sekunden Schwerelosigkeit möglich. So konnten sie zeigen, dass ein BEC unter Schwerelosigkeit erzeugt und seine Wellen zur Überlagerung gebracht werden können.

Einen ersten Raketentest für eines der wichtigsten Lasersysteme und die dazugehörigen optischen Komponenten hätte es eigentlich schon im vergangenen Frühjahr geben sollen. Da standen Schkolnik, Krutzik und Peters samt Kollegen schon neben der startklaren Rakete. Leider durfte sie aus technischen Gründen dann nicht abheben. Nun soll dieser erste Raketenflug im kommenden Frühjahr nachgeholt werden. „Immerhin haben unsere Aufbauten die Strapazen des letzten Jahres ohne Probleme überstanden“, resümiert Schkolnik. Ende 2014 soll dann das gesamte Experiment fliegen und weitere Raketenstarts sind schon geplant. Allerdings zunächst nur mit einer atomaren Spezies. Bis sie also Einstein im Weltraum tatsächlich herausfordern, wird noch ein Weilchen vergehen.

Von Uta Deffke für Adlershof Journal