Währungskrise der Physik

Folgenden Artikel brachte die Süddeutsche Zeitung am 11.02.2004:

Die Währungskrise der Physiker

Naturkonstanten verändern sich, sagen Sternforscher seit Jahren - deutsche Wissenschaftler geben jetzt Entwarnung
(von Max Rauner)

Wenn Thomas Udem von seinen französischen Kollegen Besuch bekommt, freuen sich die Forscher über den Euro. Die Physiker aus Paris brauchen kein Geld mehr umzutauschen, bevor sie mit den Münchner Kollegen ein Bier trinken gehen. Über eine Art Währung diskutieren sie nur noch, wenn sie für gemeinsame Experimente das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München besuchen. Denn die Währung der Physik, das System der Naturkonstanten, scheint zu schwanken. Das jedenfalls behauptet seit fünf Jahren ein internationales Astronomenteam unter der Leitung des australischen Physikers John Webb, das die Lichtspektren entfernter Sterne beobachtet. Demnach hatte die Naturkonstante Alpha, eine Art Leitwährung der Naturkonstanten, im frühen Universum einen anderen Wert als heute. Das wäre so, als hätte der Euro in Paris 101 Cent.

Die deutsch-französische Forschergruppe um Udem, Theodor Hänsch und Christoph Salomon hat nun Alpha auf ganz anderem Weg präzise nachgemessen und findet keine Abweichung; der gemeinsam geschriebene Bericht wird jetzt veröffentlicht (1). Salomon und seine Kollegen vom Observatoire de Paris verfügen über eine der genauesten Cäsium-Atomuhren der Welt, die Garchinger Physiker um Hänsch und Udem sind Experten in der Präzisionsmessung von Wasserstoff. Sie können die Eigenschwingung von Wasserstoffatomen auf 15 Dezimalstellen genau bestimmen. Aus dem Vergleich der Cäsium- und Wasserstofffrequenzen lässt sich Alpha berechnen. 1999 und 2003 brachten die Franzosen ihre Atomuhr dafür nach Garching. Ergebnis: seit vier Jahren bleibt die Naturkonstante Alpha konstant, jedenfalls bis zur 15. Stelle nach dem Komma.

Also doch keine Schwankung? Das Resultat heizt die Debatte über veränderliche Konstanten weiter an. Lehrbücher der Physik behandeln die Naturkonstanten wie die zehn Gebote. Sie heißen oft nach den berühmten Physikern, die sie in einer Gleichung eingeführt haben: Newton, Avogadro, Boltzmann, Faraday, Planck. Weit oben im Stammbaum steht Alpha. Die Konstante wurde 1915 von Arthur Sommerfeld definiert, um die feine Struktur von farbigem Licht zu erklären, das Atome aussenden. Sie ist aus anderen Naturkonstanten - Lichtgeschwindigkeit, Elektronenladung und Planck-Konstante - derart zusammengesetzt, dass sich Maßeinheiten wie Kilogramm, Meter und Sekunde heraus kürzen. Heraus kommt ein Zahlenwert, der ungefähr eins durch 137,036 ergibt.

Vor zehn Milliarden Jahren lag Alpha näher bei eins durch 137,037, behaupten die australischen Astronomen. Die Abweichung beträgt zwar weniger als ein hundertstel Promille. Doch wüchse Alpha weiter an, stürzten die Atome eines Tages in sich zusammen - in einigen Billiarden Jahren. Weit zuvor wird die Sonne ohnehin verlöschen.

Dass Alpha veränderlich sei, haben die Astronomen um John Webb dem Licht sehr alter, weit entfernter Sterne entnommen. Mithilfe des Keck-Teleskops auf Hawaii haben sie nach charakteristischen Absorptionslinien in deren Licht gesucht. Webbs Ergebnisse stützen sich mittlerweile auf die Daten von 150 Quasaren, hellen Sternen am Rand des Universums.

Als 1999 die ersten Beobachtungen publiziert wurden, schien es, als habe Webb ein Denkverbot umgestoßen. Unter Physikern und Astronomen brach so etwas wie eine Teuro-Hysterie aus: Fast wöchentlich tauchte im Internetarchiv www.arxiv.org eine neue Arbeit auf, in der seriöse Theoretiker den Kurswert der einen oder anderen Naturkonstante in Frage stellten. Ob Lichtgeschwindigkeit, Gravitationskonstante oder Elektronenladung, nichts war mehr heilig.

Warum aber sägen die Physiker an dem Ast, auf dem sie mit ihren Theorien und Experimenten sitzen? Die Antwort: Sie hassen und lieben ihre Konstanten zugleich. Einerseits wäre die Physik ohne Naturkonstanten nicht denkbar. Andererseits wurmt es die Forscher, dass sie manche Faktoren in den Formeln von Hand hinzufügen müssen. Max Planck träumte von einer Theorie mit einer einzigen Konstante, aus der man alle anderen ableiten könne. Und bis heute weiß niemand, ob die Fixzahlen auf Zufällen beruhen oder sich irgendwie berechnen lassen. "Unter Theoretikern gehört diese Frage in die Top Ten der ungelösten Probleme", sagt der Theoretiker Harald Fritzsch von der Universität München.

Auch Fritzsch begann fleißig zu rechnen, als er vom variablen Alpha hörte. Wenn Alpha variiert, müsste auch die Masse des Protons schwanken, fand der Physiker heraus, und zwar mehr als zehnmal so stark. Doch die jüngsten Wasserstoff-Experimente seines Kollegen Hänsch hätten diese Schwankung nachweisen müssen. Wie dieser sahen auch Forscher vom amerikanischen National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado sowie von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig keine Veränderung. Die niedersächsischen Forscher um Ekkehard Peik wollen ihre Ergebnisse bei der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft präsentieren.

Um die Daten der Astronomen endgültig zu widerlegen, müssten die Labormessungen zwar noch etwas genauer werden. Doch Harald Fritzsch hat sich schon mal zwei Erklärungen zurecht gelegt, sollte auch dabei keine Schwankung zu beobachten sein: Entweder vereinfacht die Theorie die Realität in den Atomen noch zu sehr, oder die Beobachtungen der australischen Astronomen sind schlicht falsch.

Letzteres wird immer wahrscheinlicher. "Viele Leute in der Wissenschaftler-Gemeinde sind sehr skeptisch", sagt der Heidelberger Astronom Immo Appenzeller, der das Very Large Telescope (VLT) in Chile mit aufgebaut hat. Die Messungen der Australier stießen an die technischen Grenzen des Keck-Geräts. Noch deutlicher wird der Astrophysiker Dieter Reimers von der Hamburger Sternwarte: "Als wir die Daten gesehen haben, haben wir die Hände über dem Kopf zusammengeschlagen", erinnert er sich. Tatsächlich ähnelt Webbs Messkurve dem Deutschen Aktienindex an einem turbulenten Börsentag. Für die Auswertung war sehr viel Statistik notwendig.

Dieter Reimers und Kollegen haben mit den besseren Instrumenten des VLT nun einen besonders hellen Quasar vermessen und aus den Absorptionslinien auf Alpha im frühen Universum geschlossen. Sie kommen zu einem ganz anderen Ergebnis als die Fachkollegen: Mit 90-prozentiger Sicherheit hatte Alpha damals den gleichen Wert wie heute, schreiben sie in einem Artikel, der demnächst in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wird (2). Die Statistik der Australier stütze die These vom schwankenden Alpha dagegen nur mit zwölfprozentiger Sicherheit. Ein indisch-französisches Team kommt mit anderen VLT-Daten zu einem ähnlichen Resultat.

Sowohl die Messungen mit Atomuhren als auch die Teleskop-Daten scheinen die Ordnung im System der Naturkonstanten vorerst wieder herzustellen. Eine weitere, unabhängige Messung wird den Fall wohl endgültig entscheiden. Die vorübergehende Aufregung um schwankende Konstanten hat allerdings gezeigt: In der Physik gibt es einigen Klärungsbedarf. Von einer Währungsunion sind Theoretiker und Experimentalphysiker noch weit entfernt.

(1) www.arxiv.org/physics/0312086

(2) www.arxiv.org/astro-ph/0311280

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http://fluidmotor.com/konstanten/waehrungskrise.shtml , zuletzt geändert 01. 08. 2010

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