Das Atominterferometer ist ein sehr präzises Instrument, das für ultrapräzise Entfernungsmessungen und Geschwindigkeitsschätzungen verwendet wird. Doch für den Einsatz im „echten Leben“ist es zu „sanft“, erst kürzlich konnte mit seiner Hilfe die Beschleunigung eines ganzen Flugzeugs gemessen werden. Und in Zukunft könnte es die Grundlagen der modernen Physik erschüttern.
Korpuskularwellen-Eigenschaften von Elementarteilchen sind auf der Ebene der gewöhnlichen Logik schwer zu verstehen, aber das hindert Wissenschaftler nicht daran, ihre Wirkungen mit Nachdruck zu nutzen. Insbesondere können wir heute Ströme von Elementarteilchen erzeugen und sie miteinander interagieren lassen, wodurch charakteristische Interferenzmuster entstehen. Die Natur der abwechselnd dunklen und hellen Bereiche in diesen Bildern hängt mit der gegenseitigen Verstärkung und Dämpfung der Wellen zusammen und hängt vom Verhältnis ihrer Phasen in einem bestimmten Raumbereich ab.
Dies ermöglicht es, den Abstand zwischen der Quelle und dem Bildschirm mit höchster Genauigkeit abzuschätzen, vergleichbar mit der Länge interferierender Wellen, wodurch ultrapräzise Instrumente entstehen - Interferometer. Atominterferometer, die nicht Photonen elektromagnetischer Strahlung verwenden, sondern einzelne Atome, sind heute bei weitem nicht so beliebt wie andere. Sie haben jedoch ein großes Potenzial, da ihre Wellenlängen viel kürzer sind als Infrarot-, sichtbare und sogar ultraviolette Laser. Dadurch können Sie um Größenordnungen genauere Ergebnisse erzielen.
Außerdem beeinflusst die Schwerkraft der Erde die Atome viel stärker als die Strahlung, was es ermöglicht, Atominterferometer für ultrapräzise Messungen der Anziehungskraft der Erde zu verwenden. Dies geschieht in gut isolierten Labors, normalerweise tief unter der Oberfläche.
Und schließlich können Atominterferometer als hervorragende Beschleunigungsmesser dienen, ein Werkzeug zur Beschleunigungsmessung, das nicht weniger genau ist als moderne Trägheitsmessgeräte. Da ein solcher Beschleunigungsmesser keine beweglichen Teile hat, sollte er auch zuverlässiger und h altbarer sein. Leider gibt es auf diesem Weg ein ernstes Problem: die enorme Empfindlichkeit von Atominterferometern. Jede Erschütterung, selbst die für uns unmerklichste, verletzt die Ergebnisse ihrer Messungen unwiderruflich.
Französische Wissenschaftler haben jedoch einen Weg gefunden, dieses Problem zu lösen, und sogar einen Prototyp eines Atominterferometers gebaut, das in der Lage ist, die Beschleunigung eines Flugzeugs mit großer Genauigkeit aufzuzeichnen. Der Prototyp wurde an Bord des Airbus A300 erfolgreich getestet – und seine Leistungsfähigkeit voll unter Beweis gestellt.
Um dies zu erreichen, gingen die Autoren des Geräts einen ziemlich einfachen Weg: Sie kombinierten einen atomaren Beschleunigungsmesser mit mehreren herkömmlichen mechanischen zu einem einzigen System. Während der Atombeschleunigungsmesser mit seiner Eigengenauigkeit arbeitet, werden die mechanischen Schwingungen aufgezeichnet, die dann mit einem speziellen Computerprogramm von den Daten des Atombeschleunigungsmessers subtrahiert werden. Das Gesamtergebnis ihrer Arbeit ist Standardsystemen in der Genauigkeit weit überlegen.
Erinnern wir uns an die große Bedeutung, die Beschleunigungssensoren heute haben – in Navigations-, Steuerungs- und Leitsystemen – wird sicherlich auch ein neues, genaueres System eine sehr breite Anwendung finden. Und das nicht nur in der Technik, sondern auch in der Wissenschaft, für genauere Messungen in der Geodäsie und Gravimetrie, in der Erforschung der Auswirkungen der Mikrogravitation.
Der letzte ist besonders interessant. Tatsache ist, dass das bekannte Prinzip der gleichmäßig beschleunigten Bewegung von Körpern im freien Fall, das von Galileo demonstriert wurde, darauf hindeutet, dass die Geschwindigkeit fallender Körper ohne Luftwiderstand nicht von ihrer Struktur abhängt. Einstein verband dieses Phänomen eng mit dem Äquivalenzprinzip, in dem er davon ausging, dass Gravitation und Trägheit Kräfte sind, die einander äquivalent sind, sodass es fast unmöglich ist, zwischen ihnen zu unterscheiden.
Ein Verstoß gegen das Gesetz des freien Falls kann diese witzige Vermutung Einsteins ernsthaft in Zweifel ziehen – wenn nicht gar als unh altbar verwerfen. Experimentatoren in den sorgfältigsten Experimenten testeten die Funktionsweise des Prinzips und erreichten eine Genauigkeit von bis zu 10−13, fanden aber keine Abweichungen. Einige Theoretiker glauben jedoch, dass genauere Messungen es ermöglichen werden, Verletzungen zu finden, bei denen die interne Mikrostruktur des Körpers auch die Fallgeschwindigkeit beeinflusst. Mit anderen Worten, die Struktur des Körpers bestimmt sehr schwach, aber immer noch die Gravitationsanziehung des Körpers, und dieser schwache Einfluss kann mit einer gewissen Genauigkeit von Experimenten nachgewiesen werden.
Laut Wissenschaftlern wird es möglich sein, mit dem von den Franzosen vorgeschlagenen System, das ein atomares Interferometer und mechanische Beschleunigungsmesser kombiniert, eine Genauigkeit von 10−15 zu erreichen, wenn Experimente im Orbit, in Mikrogravitation, durchgeführt werden. Ähnliche Erfahrungen sind bereits von der ESA in ihrem Cosmic Vision-Programm für 2020-22 geplant. Vielleicht werden wir also in zehn Jahren dank eines neuen Tools eine sehr große Überraschung erleben.
