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Konstanz von Naturkonstanten in Raum und Zeit untermauert

Aus dem Jahresbericht 2021
14.04.2022

Vergleiche zwischen Ytterbium- und Cäsium-Atomuhren an verschiedenen Orten (x) und zu verschiedenen Zeiten (t) untermauern die Konstanz von Naturkonstanten.

Eine Naturkonstante sollte immer den gleichen Wert besitzen, unabhängig davon, zu welcher Zeit oder an welchem Ort sie bestimmt wird. Auch Einsteins Relativitätstheorie nutzt diese grundlegende Annahme, die als lokale Positionsinvarianz (LPI) bekannt ist. In der PTB wurde die Gültigkeit der LPI nun mit einem deutlich verbesserten experimentellen Test untermauert. Motiviert wurden die Untersuchungen durch moderne Stringtheorien, welche LPI-Verletzungen (zum Beispiel zeitliche Variationen von Naturkonstanten) vorhersagen. Auf der Suche nach experimentellen Anzeichen solch „neuer Physik“ nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der PTB den Vergleich ihrer hochgenauen Atomuhren und konnten die Genauigkeit der Ergebnisse früherer Tests der LPI bis zu 20-fach verbessern.

Verwendet wurden Atomuhren, deren Referenzfrequenzen unterschiedliche Abhängigkeiten von den Werten ausgewählter Naturkonstanten haben. Ein kombinierter Vergleich zwischen optischen Ytterbium- Uhren und klassischen Cäsium-Uhren erlaubt eine Suche nach Veränderungen der Feinstrukturkonstanten α und des Massenverhältnisses von Elektron und Proton. Die Übereinstimmung der hochgenauen Atomuhren über einen Zeitraum von mehreren Jahren hat gezeigt, dass Änderungen im Wert von α pro Jahr höchstens ab der 21. Nachkommastelle auftreten können.