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Messung der gravitativen Zeitdilatation

Nach der ersten erfolgreichen Messung der relativistischen Zeitdilatation von Hafele und Keating, haben Forscher von der Universität Maryland in den Vereinigten Staaten 1975 einen Präzisionsversuch zur relativistischen Zeitdilatation durchgeführt. Dieser als Maryland-Experiment bekannte Versuch wurde hauptsächlich darauf aufgelegt die gravitative Rotverschiebung nachzuweisen.

gravitative Rotverschiebung

Unter gravitativer Rotverschiebung versteht man den Effekt der allgemeinen Relativitätstheorie, nach dem Uhren im inneren von Gravitationsfeldern im Vergleich zur Zeit außerhalb des Feldes langsamer gehen. Der Effekt hängt dabei nicht von der Stärke der Schwerkraft sondern von der Tiefe im Potential ab. Man kann die Größe des Effekts also Abschätzen, wenn man die Schwerkraft als konstant annimmt und die Flughöhe von 30.000 Fuß und die Flugzeit von 15 Stunden einsetzt. Die Berechnung der gravitativen Rotverschiebung ergibt dann dass die Uhren nach dem Flug 53,9 Nanosekunden vorgehen sollten. Dazu kam allerdings noch die Zeitdilatation aufgrund der Geschwindigkeit der Flugzeuge. Diese betrug im Durchschnitt 138 m/s und hätte für sich allein ein Nachgehen der Uhren von 5,7 Nanosekunden verursacht. Die einfache Überschlagsrechnung lässt also einen Effekt von 48,2 Nanosekunden erwarten.

Ausführung und Ergebnis des Experimentes

Die im Maryland-Experiment verwendeten Atomuhren wurden in speziellen Transportbehältern gelagert, in denen sie von Umwelteinflüssen aller Art abgeschirmt wurden. Dadurch sollten Störungen des Experiments zum Beispiel durch Temperaturschwankungen ausgeschlossen werden. Die Flugzeuge flogen nicht, wie im Hafele-Keating-Experiment, um die Erde, sondern sie kreisten über der Chesapeake Bay im Bundesstaat Maryland (USA) in ständiger Sichtweite zum Flughafen. Vor dort aus wurde ihr Kurs durch Laserpeilung genau verfolgt und die Zeit der Atomuhr am Boden wurde durch kurze Laserimpulse ständig mit der Zeit der Atomuhren in den Flugzeugen verglichen.

Dieses Vorgehen hatte zwei Vorteile: Zum einen konnte der zu erwartende Uhrenunterschied bei Kenntnis der genauen Flugbahn noch exakter berechnet werden. Es ergab sich ein Uhrenunterschied von 47,1 Nanosekunden. Zum anderen konnte das Auseinanderlaufen der Uhren direkt verfolgt werden, so dass man die unterschiedliche Uhrenrate in unterschiedlichen Höhen genau verfolgen konnte. Die Flugzeuge kreisten nämlich zunächst fünf Stunden auf 25.000 Fuß, stiegen dann auf 30.000 Fuß, wo sie fünf Stunden kreisten, um dann die letzten fünf Stunden auf 35.000 Fuß zu kreisen. Wie das folgende Bild aus der Original-Veröffentlichung zeigt, war die Messung genau genug um nachzuweisen, dass die Uhren tatsächlich um so schneller gingen, je weiter sie aus dem Gravitationsfeld der Erde heraus waren.

Rakete

Das Maryland-Experiment konnte die von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte gravitative Rotverschiebung auf besser als ein Prozent genau nachweisen.

Originalveröffentlichung

IEEE, Frequency Control, 33rd Annual Symposium on. 1979, Seiten 4-39

Letzte Änderung: 23.05.2007

© Joachim Schulz