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Dopplereffekt an Neon-Atomen

Ein interessantes Experiment zum relativistischen Dopplereffekt wurde 1985 in der amerikanischen Fachzeitschrift Physical Review Letters (Ausgabe 54, Seite 255) veröffentlicht. Die Forscher Matti Kaivola, Ove Poulsen und Erling Riis von der Universität Aarhus (Dänemark) sowie Siu Au Lee aus Colorado (USA) haben Neonatome beschleunigt und den Dopplereffekt sehr genau vermessen.

Grundlage dieses Experiment ist die sogenannte Doppler-freie Spektroskopie. Ein Atom wird mit einem Laser bestrahlt, dessen Frequenz genau halb so groß ist, wie für die Anregung des Atoms erforderlich. Der Laser durchdringt die Atome und wird dann mit einem Spiegel auf gleichem Weg zurückreflektiert. Dabei mischen sich die hin- und rücklaufende Welle so, dass das Atom von der Summenfrequenz zum leuchten angeregt wird und der Welle Energie entzieht. Es wird also Licht absorbiert.

Würde für Licht der selbe Dopplereffekt gelten wie für Schall, so würden sich die Dopplereffekte für die beiden Lichtwellen genau aufheben und das Atom würde unabhängig von seiner Geschwindigkeit angeregt werden. Beim relativistischen Dopplereffekt gibt es jedoch zusätzlich die Zeitdilatation. Das bewegte Atom braucht eine langsamere Schwingung um angeregt zu werden, da in seinem Bezugssystem die Zeit langsamer vergeht. Diesen Effekt der Relativitätstheorie haben die Forscher gemessen.

Hierzu haben sie zwei unabhängige Laser verwendet. Der erste wurde elektronisch so stabilisiert, dass er von einem Gas sehr langsamer Atome optimal absorbiert wurde. Der zweite Laser wurde mit einem schnellen Atomstrahl überlagert und auf die Frequenz zur Anregung der schnellen Atome stabilisiert. Die Frequenzen beider Lasersysteme wurden dann mit einem elektronischen Zähler verglichen.

Ergebnis war, dass man zur Anregung der bewegten Atome Licht mit einer um 3235,9 Megahertz (=Millionen Schwingungen pro Sekunde) kleineren Frequenz brauchte als zur Anregung der ruhenden Atome. Die Genauigkeit betrug 0,2 Megahertz, so dass die Existenz einer Zeitdilatation damit schon bestätigt ist. Es sollte jedoch zusätzlich nachgewiesen werden, dass die Voraussagen der speziellen Relativitätstheorie gelten. Hierzu musste die Geschwindigkeit der Atome bekannt sein.

Um die Geschwindigkeit möglichst genau bestimmen zu können, wählten die Forscher genau die oben genannte Frequenzdifferenz. Bei dieser Einstellung findet sich eine sogenannte Resonanz. Die Frequenz der einkommenden dopplerverschobenen Welle reicht aus, um das Atom auf einen Zwischenzustand anzuregen, die reflektierte Welle hat dann die richtige Frequenz um das Atom einen Schritt weiter anzuregen. Da die Eigenschaften von Neonatomen sehr genau vermessen sind, konnten die Wissenschaftler mit Hilfe der Lorentztransformation exakt voraussagen, bei welchem Wellenlängenunterschied die Resonanz zu erwarten ist und diese Vorhersage mit dem Experiment vergleichen. Die Vorhersage stimmt exakt mit dem oben genannten Wert von 3235,9 Megahertz überein. Damit hat dieses Experiment die Voraussagen der Relativitätstheorie auf fünf Stellen genau bestätigt.

siehe auch

Formeln zum relativistischen Dopplereffekt.

Letzte Änderung: 07.06.2006

© Joachim Schulz