Ein Ring aus Helium soll messen, wie die Erde die Raumzeit verdreht
18. Oktober 2026
Vier Milliarden Jahre für eine einzige Umdrehung. Selbst eine derart langsame Drehbewegung könnte ein neuartiger Quantensensor noch registrieren. Zumindest rechnerisch. Forschende aus den USA und Österreich wollen mit dieser Empfindlichkeit einen Effekt messen, den Albert Einstein vor mehr als 100 Jahren vorhergesagt hat: Die Erde zieht bei ihrer Rotation die Raumzeit ein kleines Stück mit.
Das Gerät soll dafür nicht ins Weltall fliegen. Es könnte direkt auf der Erde betrieben werden. Das Herzstück wäre ein ringförmiger Kanal mit supraflüssigem Helium, das auf 0,01 K über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird.
Die Forschenden um Kai-Isaak Ellers von der University of California, Berkeley, stellten ihr Konzept am 17. September 2026 in Physical Review Letters vor. In einem Interview mit Phys.org vom 15. Oktober erläuterte Ellers, wie weit die technische Entwicklung inzwischen ist.
Inhaltsverzeichnis
- Wie die Erde die Raumzeit verdreht
- Warum der Sensor extrem kaltes Helium braucht
- Winzige Poren machen die Drehung messbar
- Eine Umdrehung in vier Milliarden Jahren
- Satelliten brauchen Jahre für vergleichbare Messungen
- Das stärkste Signal ist nicht das gesuchte
- Kann der Sensor sogar Zeitunterschiede von 10⁻³⁵ Sekunden erfassen?
Wie die Erde die Raumzeit verdreht
Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie verändern Masse und Energie die Geometrie der Raumzeit. Deshalb bewegen sich Planeten auf gekrümmten Bahnen und Lichtstrahlen werden in der Nähe großer Massen abgelenkt.
Rotiert ein Himmelskörper, kommt ein weiterer Effekt hinzu. Seine Drehung beeinflusst die lokalen Bezugssysteme in seiner Umgebung. Dadurch ändert sich beispielsweise die Ausrichtung eines frei beweglichen Kreisels ganz geringfügig gegenüber weit entfernten Sternen.
Dieses Phänomen heißt Frame-Dragging oder Lense-Thirring-Effekt. Die Physiker Josef Lense und Hans Thirring beschrieben es 1918 auf Grundlage von Einsteins Theorie.
„Im Grunde genommen zieht die Erde lokale Gyroskope bei ihrer Drehung ganz leicht mit sich“, erklärte Ellers im Interview mit Phys.org. Der Effekt ist experimentell bestätigt. Bei Schwarzen Löchern fällt er wesentlich stärker aus, weil dort enorme Massen auf kleinem Raum konzentriert sind. Wie sich daraus möglicherweise die Rotation des Schwarzen Lochs Sagittarius A* bestimmen lässt, zeigt der Beitrag 25.000 km/s: S301 schießt durch das Zentrum der Milchstraße.
Auf der Erde ist der relativistische Effekt dagegen so schwach, dass seine Messung außergewöhnlich präzise Instrumente erfordert.
Warum der Sensor extrem kaltes Helium braucht
Der vorgeschlagene Sensor besteht im Wesentlichen aus einem geschlossenen Ring, durch den flüssiges Helium-4 strömt. Bei Temperaturen unter 2,17 K wird dieses Helium supraflüssig. Es kann dann unter geeigneten Bedingungen ohne die übliche innere Reibung fließen.
Außerdem lässt sich der Zustand des Heliums durch eine gemeinsame quantenmechanische Wellenfunktion beschreiben. Dadurch reagieren selbst größere Mengen der Flüssigkeit auf kleinste Veränderungen der Bewegung.
Das Prinzip wurde bereits für hochempfindliche Rotationssensoren genutzt. Forschende an der University of California, Berkeley, konnten mit solchen Geräten unter anderem die gewöhnliche Erdrotation messen. Der neue Vorschlag geht erheblich weiter. Der Sensor soll so empfindlich werden, dass auch der viel kleinere relativistische Anteil erkennbar ist.
Dafür müsste das Helium auf etwa 10 Millikelvin abgekühlt werden, also auf −273,14 °C. Bei diesen Temperaturen nimmt das thermische Rauschen stark ab. Zufällige Bewegungen und Schwankungen würden die gesuchte Messgröße deshalb weniger stark überlagern.
Winzige Poren machen die Drehung messbar
An einer Stelle des Heliumrings soll eine dünne Barriere sitzen, die winzige Öffnungen enthält. Durch diese Poren kann das supraflüssige Helium strömen. Physiker bezeichnen eine solche schwache Verbindung zwischen zwei Bereichen eines Quantensystems als Josephson-Kontakt. Ein ähnliches Prinzip wird auch in supraleitenden Schaltungen genutzt.
Die Rotation des Sensors verändert die quantenmechanische Phasendifferenz über dieser Verbindung. Dadurch verändert sich die Strömung des Heliums. Eine mit dem Ring verbundene bewegliche Membran soll diese Veränderungen messbar machen.
Besonders schwierig ist die Herstellung der Barriere. Die erforderlichen Öffnungen müssen Größenordnungen von nur etwa 1 nm erreichen. Das entspricht ungefähr einem Millionstel Millimeter.
Die Forschenden untersuchen deshalb den Einsatz nanoporöser zweidimensionaler Materialien. Solche extrem dünnen Membranen könnten die notwendige Kopplung auch bei Temperaturen von wenigen Millikelvin ermöglichen. Ob das zuverlässig funktioniert, ist noch nicht geklärt. Geeignete Josephson-Kontakte gehören zu den wichtigsten Voraussetzungen für den geplanten Sensor.
Eine Umdrehung in vier Milliarden Jahren
Wie empfindlich das Gerät theoretisch wäre, zeigen die Berechnungen der Forschenden. Nach den Berechnungen könnte der Sensor selbst extrem langsame Drehbewegungen erfassen – theoretisch bis hin zu einer einzigen Umdrehung in vier Milliarden Jahren.
Der Sensor müsste selbstverständlich nicht so lange messen. Der Vergleich beschreibt lediglich, wie klein die noch erkennbare Rotationsgeschwindigkeit wäre. Nach den Berechnungen könnte das Gerät den Lense-Thirring-Effekt mit einer relativen Unsicherheit von 0,2 % innerhalb einer einzigen Sekunde bestimmen.
Dafür setzen die Forschenden allerdings Materialien mit besonders geringen mechanischen Verlusten voraus. Auch andere Störquellen müssen ausreichend unterdrückt werden. Die außergewöhnliche Empfindlichkeit wurde bislang weder an einem Prototyp noch an einem vollständigen Sensor nachgewiesen.
Satelliten brauchen Jahre für vergleichbare Messungen
Wie schwierig der Nachweis des Lense-Thirring-Effekts ist, zeigen bisherige Experimente. Die NASA-Mission Gravity Probe B untersuchte die winzige Richtungsänderung von Kreiseln im Erdorbit. Die 2011 veröffentlichten Ergebnisse bestätigten den Effekt mit einer Unsicherheit von rund 19 %.
Deutlich präziser gelang der Nachweis inzwischen mit geodätischen Satelliten. Im Juli 2026 berichtete ein internationales Forschungsteam in Nature über eine neue Auswertung der Satelliten LARES-2 und LAGEOS. Die Forschenden bestimmten den Frame-Dragging-Effekt nach eigenen Angaben mit einer relativen Unsicherheit von rund 0,1 %.
Dafür waren umfangreiche Laserentfernungsmessungen über mehrere Jahre erforderlich. Die winzigen Veränderungen der Satellitenbahnen mussten anschließend mit aufwendigen Modellen des Erdschwerefelds ausgewertet werden.
Der geplante Heliumsensor könnte eine ähnliche Größenordnung der Messgenauigkeit innerhalb einer Sekunde erreichen. Allerdings handelt es sich bei den 0,1 % um das Ergebnis einer veröffentlichten Satellitenauswertung, während die 0,2 % des Quantensensors bislang eine theoretische Prognose sind. Die Werte lassen sich deshalb nicht ohne Weiteres gleichsetzen.
Die Idee, den Effekt auf der Erde nachzuweisen, ist ebenfalls nicht neu. Mit dem GINGER-Projekt werden beispielsweise Ringlasergyroskope für hochpräzise Rotationsmessungen entwickelt. Der Heliumsensor würde dafür jedoch ein anderes Messprinzip nutzen.
Das stärkste Signal ist nicht das gesuchte
Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, dass sich das gesamte Labor mit der Erde dreht. Die gewöhnliche Erdrotation erzeugt ein wesentlich stärkeres Signal als der relativistische Effekt. Der Sensor muss also nicht nur extrem empfindlich sein, sondern auch unterscheiden können, welcher Anteil der gemessenen Rotation tatsächlich auf das Frame-Dragging zurückgeht.
Die Forschenden haben dafür ein Messverfahren vorgeschlagen, das unterschiedliche relativistische Beiträge berücksichtigt. Neben dem Lense-Thirring-Effekt gehören dazu die geodätische und die sogenannte Thomas-Präzession.
Hinzu kommen mögliche Störungen durch mechanische Schwingungen, Temperaturschwankungen und langfristige Veränderungen der Geräteeigenschaften.
Das bisherige Konzept beschreibt vor allem die theoretisch erreichbare Empfindlichkeit gegenüber thermischem Rauschen. Ob sich sämtliche Störeinflüsse im praktischen Betrieb ausreichend kontrollieren lassen, muss erst ein Experiment zeigen.
Kann der Sensor sogar Zeitunterschiede von 10⁻³⁵ Sekunden erfassen?
Die berechnete Empfindlichkeit lässt sich auch als Zeitdifferenz ausdrücken. Sie entspricht einer Eigenzeitdifferenz von nur 10⁻³⁵ Sekunden zwischen unterschiedlichen Wegen durch den Heliumring.
Das bedeutet allerdings nicht, dass der Sensor einzelne Ereignisse in solchen Zeitabständen erfassen könnte. Gemessen werden soll vielmehr eine winzige quantenmechanische Phasenverschiebung, die sich aus der unterschiedlichen Eigenzeit entlang der Wege ergibt.
Der Messansatz berührt damit eine interessante Schnittstelle zwischen Quantenphysik und Allgemeiner Relativitätstheorie: Ein makroskopisches Quantensystem soll auf einen Effekt reagieren, der sich erst mit Einsteins Gravitationstheorie erklären lässt.
Auch andere Forschungsgruppen arbeiten an solchen Experimenten. Ein Beispiel ist der auf ingenieur.de vorgestellte Vorschlag, mit verschränkten Atomuhren die Krümmung der Raumzeit zu untersuchen.
Quellen
- Ellers et al.: Quantum Sensing of Gravitational Frame Dragging with a Superfluid ⁴He Gyrometer, Physical Review Letters, 17. September 2026
- American Physical Society: Detecting How Earth Twists Spacetime, 17. September 2026
- Phys.org: Quantum sensor could measure how Earth drags spacetime, Interview mit Kai-Isaak Ellers, 15. Oktober 2026
- Ciufolini et al.: LARES-2 satellite measures frame-dragging effect around the Earth, Nature, 8. Juli 2026
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