Schweizer Atomuhr startet ins All, um Einsteins Theorie zu prüfen

Schweizer Ingenieurskunst hat die Atmosphäre offiziell verlassen und ist an Bord der Flammen einer SpaceX-Falcon-9-Rakete zur letzten Grenze aufgebrochen. Am Montag um genau 10.15 Uhr Schweizer Zeit hob die ACES-Mission der Europäischen Weltraumorganisation vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral ab. Mit an Bord war ein entscheidendes Stück Schweizer Technologie, das für die Internationale Raumstation (ISS) bestimmt ist. Dabei handelt es sich nicht bloss um einen Transportflug, sondern um einen wissenschaftlichen Vorstoss, der unser Verständnis des Universums neu definieren soll.

Die Nutzlast soll von einem Roboterarm am Columbus-Modul der ISS montiert werden und die nächsten 30 Monate 400 km über unseren Köpfen schweben. Ihre Mission ist klar: die Zeit mit einer verblüffenden Genauigkeit zu messen, die bisherige Rekorde übertrifft. Die Rakete war amerikanisch und die Raumfahrtagentur europäisch, doch das Herzstück dieses Experiments ist unbestreitbar schweizerisch. Während sich das ACES-Ensemble in seiner Umlaufbahn einpendelt, trägt es ein Jahrhundert Physik mit sich und ist bereit, das Gefüge der Realität mit einer Präzision zu prüfen, die nur Schweizer Handwerkskunst liefern kann.

Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie steht vor ihrer strengsten Überprüfung in der Geschichte. 1915 revolutionierte Einstein die Wissenschaft mit der Erkenntnis, dass die Zeit nicht absolut ist, sondern sich unter dem Einfluss der Gravitation krümmt und verzerrt. Heute wissen wir, dass die Zeit auf der Spitze des Eiffelturms schneller vergeht als an dessen Fuss. Dieser «Einstein-Effekt» ist auf der Erde jedoch winzig. Im Vakuum des Weltraums steht weit mehr auf dem Spiel.

Satelliten zur Geolokalisierung, die sich in 20'000 km Höhe befinden, sind bereits mit diesem Phänomen konfrontiert. Ihre Uhren gehen täglich 40 Mikrosekunden schneller als Uhren am Boden. Die ACES-Mission soll die bisherigen Messstandards übertreffen und die Genauigkeit der Messung dieser «gravitativen Verschiebung» um zwei Dezimalstellen verbessern, bis auf eine Genauigkeit von einem Millionstel. Indem die Forschenden diese Atomuhren in der Mikrogravitationsumgebung der ISS platzieren, messen sie nicht bloss die Zeit, sondern untersuchen die grundlegenden Gesetze, die unsere Existenz bestimmen. Sollten die Daten auch nur geringfügig von Einsteins Vorhersagen abweichen, stünde die moderne Physik vor einem gewaltigen Umbruch.

Im Zentrum dieses kosmischen Experiments steht ein Meisterwerk Schweizer Ingenieurskunst: der Space Hydrogen Maser (SHM). Das von Safran Time Technologies in Neuenburg hergestellte Instrument ist ein Beleg für die Schweizer Führungsposition in der Hochpräzisionsmechanik. Der SHM ist ein aktiver Wasserstoffmaser, der Wasserstoffatome nutzt, um die Zeit mit aussergewöhnlicher Stabilität anzugeben.

Dabei handelt es sich nicht um handelsübliche Standardtechnologie. Der SHM ist zehnmal stabiler als die passiven Maser, die derzeit die Satellitenkonstellation Galileo antreiben. Indem die kurzfristige Stabilität des Schweizer SHM mit der langfristigen Genauigkeit der in Frankreich hergestellten PHARAO-Uhr kombiniert wird, erreicht die ACES-Mission eine Zeitmessgenauigkeit von einer Sekunde in 300 Millionen Jahren. Durch diese Zusammenarbeit wird die ISS zum präzisesten Zeitmesser in der Umlaufbahn. Sie sendet Mikrowellensignale an neun Bodenstationen rund um den Globus, von Japan bis in die USA, um das menschliche Verständnis der Zeit mit dem Kosmos in Einklang zu bringen.

Wir stehen an der Schwelle zu einem «neuen Fenster» in der Physik. Philippe Laurent, ein leitender Wissenschaftler des Projekts, nimmt kein Blatt vor den Mund: Sollten die Ergebnisse von ACES Einsteins Gleichungen widersprechen, würde die Wissenschaft auf den Kopf gestellt. Seit Jahrzehnten suchen Physikerinnen und Physiker nach dem Heiligen Gral: nach einer Möglichkeit, die allgemeine Relativitätstheorie, die für die gewaltigen Dimensionen des Universums gilt, mit der Quantenphysik zu vereinbaren, welche die chaotische Welt des unendlich Kleinen beherrscht.

Diese beiden Theorien sind zwar für sich genommen erfolgreich, blieben bisher aber hartnäckig unvereinbar. Eine Abweichung in den ACES-Daten könnte den ersten konkreten Hinweis liefern, der nötig wäre, um diese Kluft zu überbrücken. Während die Schweizer Uhr ihre 30-monatige Beobachtungsphase über der Atmosphäre beginnt, tickt sie nicht bloss, sondern sucht nach Fehlern in unserer Realität. Ob sie Einsteins Genie bestätigt oder einen Riss im Fundament der Physik offenlegt: Die zur Erde übermittelten Daten werden die Rolle der Schweiz beim nächsten grossen Sprung menschlicher Erkenntnis festigen.