Rotierende Massen pflügen durch die Raumzeit und verwirbeln sie wie ein Löffel, der durch zähen Honig gezogen wird. Die österreichischen Forscher Joseph Lense und Hans Thirring sagten schon 1918 auf der Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie diesen Effekt voraus. Gravitationsfelder entstehen demnach auch durch rotierende Massen. Der Mathematiker Kurt Gödel zog daraus im Jahr 1947 einen verblüffenden Schluss: Wenn sich der größte Teil der Materie im Universum drehe, müsse auch das All selbst rotieren.

Forscher der Uni Ulm und der Ludwig-Maximilians-Universität in München wollen den "Lense-Thirring-Effekt" jetzt erstmals direkt nachweisen - und gleichzeitig die Drehung des Universums messen. Gelingen soll das mit Hilfe eines so genannten Quanten-Gyroskops, einer Weiterentwicklung der Ringlaser-Gyroskope, die in modernen Flugzeugen der Navigation dienen.

In Ringlaser-Gyroskopen werden zwei Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen durch einen Ring aus optischen Fasern geschossen. Dreht sich das Flugzeug, muss der Strahl, der in die gleiche Richtung wandert, eine etwas größere Distanz zurücklegen als das Lichtsignal, das gegen die Drehung des Flugzeugs gerichtet ist. Das Resultat: Die beiden Strahlen kommen zu unterschiedlichen Zeitpunkten an ihren Anfangspunkten an. Aus der Differenz errechnet ein Computer die Rotationsgeschwindigkeit des Flugzeugs.

"Eine solche Phasenverschiebung müsste auch durch die Rotation des Universums entstehen", glaubt Wolfgang Schleich, Professor für Quantenphysik an der Uni Ulm. Allerdings sei die Verschiebung ausgesprochen klein und die Konstruktion eines entsprechend empfindlichen Messinstruments eine enorme Herausforderung. In einer Studie, veröffentlicht im Fachmagazin "New Journal of Physics", zeigen Schleich und seine Kollegen jetzt einen Weg zur Lösung des Problems auf: das Quanten-Gyroskop.

"Das Prinzip des Ringlasers funktioniert nicht nur mit Licht, sondern auch mit kalten Atomstrahlen", sagt Schleich im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Atome haben den Vorteil, dass sie deutlich langsamer fliegen als das Licht und der Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen der beiden Strahlen deshalb größer ausfällt. Dadurch können sehr kleine Rotationsraten gemessen werden." Diese Technik hat allerdings auch einen Nachteil: Sie kann nicht auf der Erde eingesetzt werden. Die Atome ziehen im Gyroskop derart gemächlich ihre Kreise, dass die irdische Anziehungskraft ihre Bahnen krümmen würde. Am Ende, befürchtet Schleich, würden die Materieteilchen den Forschern schlicht auf den Tisch fallen.

Die Esa will deshalb ein Kaltatom-Gyroskop namens "Hyper" (hyper-precision cold-atom interferometry in space) in den Orbit zu schießen. Das hochempfindliche Gerät soll herausfinden, ob durch die Drehung der Erde ein Lense-Thirring-Gravitationsfeld entsteht. Fast 100 Jahre wären dann seit dem Geistesblitz der beiden Forscher ins Land gezogen, denn der Satellit soll frühestens 2012 starten. Für die Messung der Rotation des Universums aber ist auch "Hyper" nicht sensibel genug - zumindest noch nicht, meint Schleich. Doch die Empfindlichkeit des Weltraum-Gyroskops könne um das etwa Zehnmilliardenfache gesteigert werden, wenn man die Atome in einen identischen Quantenzustand versetze.

• New Journal of Physics 
• Studie von Wolfgang Schleich 

Das bizarre Phänomen der Quantenverschränkung haben Forscher bereits erfolgreich zur Teleportation von Photonen und Atomen benutzt, indem sie eine identische Kopie zur gleichen Zeit an einem anderen Ort entstehen ließen. Mit dieser Methode will Schleich zwei völlig identische kalte Atomstrahlen schaffen. Jede Verschiebung, die dann beim Zusammentreffen der Strahlen noch entsteht, wäre ausschließlich auf eine Rotationsbewegung zurückzuführen. "Da man die Zahl von Teilchen in einem Strahl nie genau definieren kann, kommt es zu einem Quanten-Rauschen, das die Messergebnisse schmälert", erläutert Schleich. "Durch die Verschränkung der Atome aber verschwindet das Rauschen beinahe vollständig."