Holger MüllerModerne optische Tests der Relativitätstheorie

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Die 1905 von Albert Einstein formulierte spezielle Relativitätstheorie (SRT) unterliegt allen akzeptierten physikalischen Gesetzten auf fundamentaler Ebene. Gerade weil moderne Ansätze für eine Quantentheorie der Gravitation (etwa die Stringtheorie) möglicherweise winzige Verletzungen der SRT vorhersagen, ist es wichtig, ihre Gültigkeit experimentell sicherzustellen. Dabei kommt es auf höchste Genauigkeit, aber auch auf die Abdeckung möglichst aller theoretisch denkbarer Verletzungen an.

Eine Voraussetzung der Relativitätstheorie ist die Isotropie des Raumes, die man mit dem klassischen Michelson-Morley-Experiment überprüfen kann. Die Arbeit beschreibt eine moderne Version dieses Experimentes: Es werden die Resonanzfrequenzen zweier orthogonal angeordneter kryogener optischer Resonatoren verglichen, indem die Frequenz je eines Lasers auf die Resonatoren stabilisiert und die Differenz der Laserfrequenzen gemessen wird. Eine Verletzung der Isotropie würde sich in einer Modulation der Frequenzdifferenz äußern, wenn der Aufbau verdreht wird (hier durch die Drehung der Erde). Durch neuentwickelte Verfahren und sorgfältige Optimierung wird die Genauigkeit der bisherigen Experimente teilweise bei weitem übertroffen.

Die Arbeit befaßt sich außerdem mit den theoretischen Grundlagen solcher Experimente. Insbesondere wird der Einfluß des Resonatormaterials untersucht: es zeigt sich, daß Vergleichsmessungen mit Resonatoren aus verschiedenen Materialien es erlauben, mit dem Experiment die Gültigkeit der SRT auch für Elektronen zu überprüfen.

Aus diesen experimentellen und theoretischen Ergebnissen werden neue Grenzwerte für Verletzungen der SRT hergeleitet: Es ergeben sich Obergrenzen von bis zu etwa einem Teil in einer Billiarde (10 hoch 15) für acht Parameter, die mögliche Verletzungen der SRT in der Elektrodynamik spezifizieren. Diese Grenzwerte sind etwa 100-fach schärfer als die besten bisherigen. Darüber hinaus ergeben sich Obergrenzen für drei Parameter, die Abweichungen von der SRT für das Elektron spezifizieren. Diese Parameter wurden damit zum ersten Mal gemessen.

Zusammengefaßt bedeutet die Arbeit eine verbesserte Bestätigung der speziellen Relativitätstheorie: dabei wurde nicht nur die Genauigkeit, sondern auch die möglichst vollständige Abdeckung der theoretisch denkbaren Verletzungen verbessert.