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Doppler-Effekt ausgetrickst

Laser-„Gegenverkehr“ gegen Verzerrungen

Im Prinzip könnte man nun die Laborfrequenz bestimmen, die ein Laser haben muss, um die bewegten Ionen zum Leuchten anzuregen und diese mit der Lichtfrequenz des ruhenden Ions vergleichen. Das Verfahren ist jedoch zu ungenau, denn die Teilchen besitzen selbst nach dem ausgiebigen Bad im Elektronensee immer noch nicht alle exakt dieselbe Geschwindigkeit: Die „Uhren“ gehen unterschiedlich schnell.

Schema des Heidelberger Speicherrings © Rohrer/MPG

Ein weiteres Problem bereitet der klassische Doppler-Effekt, wonach die Frequenz einer Welle höher erscheint, wenn man sich auf sie zu bewegt und tiefer, wenn man sich von ihr entfernt. In der Alltagswelt kennt man das von akustischen Wellen: Die Sirene eines vorbeifahrenden Feuerwehrwagens klingt zuerst höher und dann tiefer als der tatsächliche (und vom Fahrer wahrgenommene) Ton. Dieser Doppler-Effekt überlagert sich der Zeitdilatation und verhindert eine einfache Präzisionsmessung.

Diese beiden Probleme lösen die Heidelberger Physiker, indem sie zwei Laserstrahlen in den Speicherring hineinschießen. Der eine verläuft genau parallel zum Ionenstrahl, der andere läuft ihm entgegen. Die Frequenzen dieser beiden Laser sind so eingestellt, dass sie Ionen mit einer bestimmten Geschwindigkeit zum Leuchten anregen. Sie picken sich gewissermaßen zwei verschiedene Geschwindigkeitsklassen heraus. Die Lichtausbeute dieser beiden Gruppen misst ein Photodetektor, der seitlich ins Strahlrohr schaut.

Variiert man nun die Frequenz des einen Lasers so lange, bis er dieselben Ionen anregt wie der andere Laser, so sinkt die Lichtausbeute, weil nur noch eine Geschwindigkeitsklasse leuchtet: Die beiden Laser müssen sich die Ionen dieser Geschwindigkeit teilen. Im Experiment bricht dann in dieser Situation plötzlich die Lichtausbeute ein – was sich sehr genau messen lässt.

Glücklicherweise fügt es sich nun so, dass sich an diesem Punkt die Doppler-Effekte der antiparallelen Laserstrahlen genau aufheben und nur die Frequenzverschiebung durch die Relativitätstheorie übrig bleibt. Das Messergebnis hängt dann erstaunlicherweise nicht mehr von der Geschwindigkeit der Ionen ab. Nun müssen die Physiker noch die gemessene Lichtfrequenz der kreisenden Lithium-Ionen mit derjenigen von ruhenden vergleichen.

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Stand: 21.05.2004

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Wie relativ ist die Zeit?
Auf der Suche nach Einsteins Zeitdehnung

Die "magische Konstante"
Einsteins Spezielle Relativitätstheorie

Von der Theorie zum Experiment
Erste Beweise für Einsteins Theorie

Kühles Bad im Elektronensee
Die Suche nach der „Großen Vereinheitlichung“

Doppler-Effekt ausgetrickst
Laser-„Gegenverkehr“ gegen Verzerrungen

Noch gilt Einstein auf ein Millionstel
...aber wie lange noch?

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Albert Einstein - Wie die Zeit relativ wurde und die vierte Dimension entstand