Hintergrund 

Sind Naturkonstanten wirklich konstant?

Größte Ungenauigkeit bei der Gravitationskraft / Das Ende der Lichtgeschwindigkeit

Von Rainer Scharf

In unserer Welt scheint nichts Bestand zu haben. Selbst die Sonne - und mit ihr unsere Erde - wird in einigen Milliarden Jahren vergehen. Die Naturgesetze, denen das Geschehen im Universum folgt, sind indes dauerhafter. Dank dieser Tatsache können die Physiker aus ihren Beobachtungen Schlüsse ziehen, die bis zur Entstehung des Universums vor 12 Milliarden Jahren zurückreichen. Voraussetzung dafür ist, daß die sogenannten Naturkonstanten, etwa die Lichtgeschwindigkeit, das Plancksche Wirkungsquantum oder die Elektronenmasse, sich nicht im Laufe von Jahrmilliarden vielleicht doch geringfügig geändert haben. Darüber sollen präzise Messungen Auskunft geben. Diese haben aber auch großen praktischen Wert. Sie gestatten es, Meßverfahren zu standardisieren und immer genauer zu machen. Die Rolle der Präzisionsmessungen in Praxis und Grundlagenforschung haben internationale Experten während des 250. Heraeus-Seminars in Bad Honnef diskutiert.

Welche ungeheuren Fortschritte die Präzisionsmessungen in den letzten Jahrzehnten gemacht haben, rief der Physiknobelpreisträger Norman Ramsey von der Harvard University in Cambridge/Massachusetts in Erinnerung. Fast alle Naturkonstanten sind heute rund zehntausendmal so genau bekannt wie vor 60 Jahren. Heisenbergs Unschärfebeziehung zum Trotz macht es gerade die Ausnutzung der Quantenmechanik möglich, die "Eigenschaften" der Atome auf ein millionstel Prozent und genauer zu messen. Die experimentellen Fortschritte betreffen vor allem die Isolation einzelner Atome und Ionen in Fallen, ihre Kühlung mit Licht sowie ihre Anregung mit immer besser abgestimmter Laserstrahlung. Auf diese Weise ist zum Beispiel die Frequenz einer Strahlung, welche von Rubidiumatomen abgegeben wird, auf dreizehn Stellen hinter dem Komma bestimmt worden. Solch unvorstellbare Meßgenauigkeit liegt auch den Caesium-Atomuhren zugrunde, die in einer Million Jahren weniger als eine Sekunde Gangunsicherheit zeigen.

Die Genauigkeit der Atomuhren läßt sich voraussichtlich noch beträchtlich erhöhen, wie Thomas Udem vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching berichtete. Caesium-Atomuhren messen die Zeit, indem sie gewissermaßen die Schwingungen einer bestimmten Mikrowellenstrahlung zählen, die von Caesiumatomen abgegeben wird. Benutzte man hingegen sichtbare Strahlung, die wesentlich schneller schwingt, könnte man im Prinzip auch eine höhere Genauigkeit erreichen. Bisher war es allerdings mit großen Schwierigkeiten verbunden, die schnelleren Schwingungen auszuzählen. Doch inzwischen wurde in Garching ein Verfahren entwickelt, bei dem man aus einer genau bekannten Referenzfrequenz einen sogenannten Frequenzkamm erzeugt. Damit läßt sich dann eine unbekannte optische Frequenz in ähnlicher Weise messen wie eine unbekannte Länge mit Hilfe eines Metermaßes.

Sowohl in Garching als auch an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig benutzt man die Frequenzkämme, um herauszufinden, ob sich die charakteristischen Strahlungsfrequenzen von Atomen und Ionen im Laufe der Zeit ändern. Dies wäre ein deutliches Zeichen, daß sich die Kraft verändert, mit der die Atomkerne die Elektronen an sich binden. Wie Ekkehard Peik von der PTB berichtete, hat man bei Untersuchungen an Indiumionen dafür bisher keine Hinweise gefunden. Die sogenannte Feinstrukturkonstante, die ein Maß für die Anziehungskraft zwischen Kern und Elektronen ist, kann sich demnach höchstens um ein Billiardstel pro Jahr ändern. Verbesserte Verfahren sollen die Genauigkeit auf ein Trillionstel pro Jahr erhöhen.

Auch bei anderen Naturkonstanten verlief die Suche nach zeitlichen Änderungen bisher ergebnislos, resümierte Savely Karshenboim vom Mendeleew-Institut für Meteorologie in St. Petersburg. Außer den Feinstrukturkonstanten hat man zum Beispiel das Verhältnis der Elektronen- zur Protonenmasse untersucht. Dazu werden neben Laborexperimenten auch astronomische Beobachtungen, zum Beispiel an Quasaren, genutzt. Wenn sich die Naturkonstanten auch nur um ein Milliardstel pro Jahr ändern würden, etwa als Folge der Expansion des Universums, so hätte man das schon längst beobachten müssen.

Fast alle Naturkonstanten wurden mit beeindruckender Präzision bestimmt - mit einer auffälligen Ausnahme: Die Newtonsche Gravitationskonstante ist nur auf etwa ein Promille genau bekannt, obwohl man sie schon seit zweihundert Jahren immer wieder ermittelt hat. Zudem weichen die Ergebnisse neuerer Messungen so stark von denen früherer Experimente ab, daß das internationale Komitee Codata, das die Werte der Naturkonstanten verbindlich festlegt, die bisher angenommene Ungenauigkeit der Gravitationskonstanten deutlich erhöhen mußte. Um diesem Mißstand abzuhelfen, laufen zur Zeit eine Reihe von verbesserten Präzisionsmessungen. Jens Gundlach von der University of Washington in Seattle und seine Kollegen konnten mit einer neuartigen Torsionswaage den Wert der Gravitationskonstanten auf ein Hunderttausendstel genau bestimmen. Der in Seattle ermittelte Wert steht offenbar in Einklang mit dem noch unveröffentlichten Ergebnis eines Experiments, das man am traditionsreichen Bureau International des Poids et Mesures in Sèvres ausgeführt hat, wie dessen Leiter Terry Quinn bestätigte.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik hat uns eine Fülle von neuen Naturkonstanten beschert - und es werden immer noch mehr. Das berichtete Harald Fritzsch von der Universität München. Wie der Elektromagnetismus und die Gravitation, so haben auch die schwache und die starke Wechselwirkung, die sich im Kernzerfall beziehungsweise als Kernkraft bemerkbar machen, ihre Wechselwirkungskonstanten. Dazu kommen noch einige "Mischungswinkel", die das Zusammenspiel der verschiedenen Wechselwirkungen charakterisieren, sowie die Massen von zahlreichen Elementarteilchen wie Leptonen - zu denen das Elektron gehört -, Quarks und dem Higgs-Teilchen. Wie aber kommen die von uns beobachteten Werte der Naturkonstanten zustande? Wieso ist beispielsweise das Myon knapp 207mal so schwer wie das Elektron? Darauf kann das Standardmodell keine Antwort geben.

Die Hoffnung, daß die Naturkonstanten nicht auf Zufall beruhen, sondern auf einer Notwendigkeit, treibt die Physiker dazu, über das Standardmodell hinauszugehen. Die Stringtheorie ist dabei ein ernstzunehmender Kandidat, wie Jan Louis von der Universität Halle erläuterte. Sie versucht, die elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung mit der Schwerkraft zu vereinen. Normalerweise ist die Schwerkraft wesentlich schwächer als die drei anderen Kräfte. Doch es gibt Hinweise, daß bei extrem kleinen Abständen zwischen den Elementarteilchen alle vier Kräfte gleich stark werden und dann zu einer universellen Wechselwirkung zusammenfallen. Daß die Schwerkraft uns vergleichsweise schwach erscheint, könnte daran liegen, daß sie nicht auf die vierdimensionale Raumzeit beschränkt ist wie die drei anderen Wechselwirkungen, sondern sich in einem höherdimensionalen Raum ausbreiten kann. Diese zusätzlichen Raumdimensionen sind indes normalerweise verborgen und würden sich erst bemerkbar machen, wenn man die submikroskopische Struktur von Raum und Zeit genauer betrachtete.

Ob die Physiker eine bestimmte physikalische Größe als "Naturkonstante" ansehen oder nicht, kann sich übrigens im Laufe der Zeit mehrfach ändern, wie Jean-Marc Lévy-Leblond von der Universität von Nizza sagte. So hielt man die Masse des Protons zunächst für eine fundamentale Größe, bis sich Anfang der siebziger Jahre bei Experimenten an Teilchenbeschleunigern herausstellte, daß das Proton aus Quarks und Gluonen besteht. Seine Masse hängt in komplizierter Weise von der Wechselwirkung seiner Bestandteile ab und ist damit alles andere als eine fundamentale Größe. Im Falle der Elektronenladung ging die Entwicklung in die umgekehrte Richtung. Zuerst hielt man die Elektronenladung für das Charakteristikum einer bestimmten Teilchensorte. Doch mittlerweile hat man ihre universelle Bedeutung als Elementarladung erkannt. Andere Naturkonstanten sinken zu bloßen Umrechnungsfaktoren herab, etwa die Lichtgeschwindigkeit, mit der man Massen in Energien und Zeitabstände in räumliche Entfernungen umrechnet. In vielen physikalischen Veröffentlichungen setzt man die Lichtgeschwindigkeit kurzerhand gleich eins und mißt Entfernungen in Sekunden und Massen in der Energieeinheit Megaelektronenvolt. Die "Naturkonstante" Lichtgeschwindigkeit ist damit völlig verschwunden. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 20.06.2001, Nr. 140 / Seite N1

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