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Ändern sich die Naturkonstanten?

Von Rainer Scharf

Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit c oder die Elektronenladung e sind unveränderlich - oder etwa nicht? Im vergangenen Jahr hatten Messungen an Quasarspektren ergeben, dass die Feinstrukturkonstante alpha = e2/hquer c  möglicherweise langsam anwächst. Jetzt haben Forscher in Großbritannien untersucht, ob dahinter eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit oder der Elektronenladung stecken könnte.

Die Feinstrukturkonstante a bestimmt die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung. Würde sich a im Laufe der Zeit ändern, so würden sich die Spektrallinien der Atome in charakteristischer Weise verschieben. Solche Linienverschiebungen hatten John Webb von der University of New South Wales und seine Kollegen in den Spektren von Quasaren gefunden. Quasare ermöglichen uns einen Blick in die ferne Vergangenheit des Universums, da das Licht eines Quasar umso länger zu uns braucht, je weiter er von uns entfernt ist. Auf diese Weise ließ sich die Entwicklung von a fast bis zum Ursprung des Universums verfolgen.

Webb und seine Mitarbeiter schlossen aus ihren Daten, dass die Feinstrukturkonstante im Laufe von 10 Milliarden Jahren geringfügig zugenommen hat, und zwar um Dalpha/alpha = 0,7×10-5. Da alpha von der Lichtgeschwindigkeit c, der Elektronenladung e und der Planck-Konstanten hquer abhängt, muss sich mindestens eine dieser "Konstanten" ebenfalls geändert haben. João Magueijo vom Imperial College in London und seine Kollegen haben jetzt untersucht, ob sich e oder c geändert haben könnte und welche beobachtbaren Konsequenzen solche eine Änderung hätte.

Die Elementarladung und die Lichtgeschwindigkeit sind dimensionsbehaftete Größen, deren Zahlenwert von der Wahl der Maßeinheiten abhängt. Doch die Forscher weisen darauf hin, dass die Physik sehr kompliziert wird, wenn man zum Beispiel die sich langsam ändernde Elementarladung künstlich konstant hält, indem man die Maßeinheiten ebenfalls ändert. Inzwischen haben Berechnungen gezeigt, dass sich sowohl c als auch e ändern können, ohne dass dies in Widerspruch zu anerkannten physikalischen Theorien gerät.

Wenn sich die Lichtgeschwindigkeit im Laufe der Zeit ändert, so sollte den Berechnungen zufolge die Feinstrukturkonstante tatsächlich zunehmen. Ändert sich hingegen die Elementarladung, so nimmt die Feinstrukturkonstante jedoch nur dann zu, wenn man der Dunklen Materie im Universum sehr exotische Eigenschaften zuschreibt. Da man aber über die Dunkle Materie kaum etwas weiß, kann man auch diese Hypothese zunächst nicht ausschließen. Beide Hypothesen kommen indes zu sehr verschiedenen Vorhersagen darüber, wie sich die Änderung der Feinstrukturkonstante in der Nähe großer Massen bemerkbar macht.

In beiden Fällen ändert sich die Feinstrukturkonstante mit dem Abstand von einem massiven Objekt. Dies führt dazu, dass neben den vier bekannten Naturkräften eine weitere, "fünfte" Kraft auftritt. Wie diese fünfte Kraft wirkt, hängt indes davon ab, ob man die Lichtgeschwindigkeit oder die Elementarladung als variabel annimmt. Ist c veränderlich, so werden alle Massen von der fünften Kraft in gleicher Weise beschleunigt. Ist hingegen die Elementarladung variabel, so hängt die Beschleunigung einer Masse von ihrer chemischen Zusammensetzung ab. In diesem Fall würde das (schwache) Äquivalenzprinzip der Einsteinschen Gravitationstheorie verletzt, demzufolge träge und schwere Masse äquivalent sind.

Dadurch ließe sich experimentell unterscheiden, ob sich die Lichtgeschwindigkeit oder die Elementarladung verändert. Derzeitige Gravitationsexperimente sind noch nicht empfindlich genug, einen Unterschied festzustellen. Doch mit neuen Gravitationsexperimenten wie zum Beispiel STEP könnte dies nach Meinung der Forscher möglich werden. Außerdem könnte man dadurch auf unabhängige Weise überprüfen, ob die Feinstrukturkonstante tatsächlich nicht mehr das ist, was sie früher einmal war. 

Quellen
João Magueijo et al., Is it e or is it c? Experimental tests of varying alpha, Physics Letter B 549, 284 (2002)
http://dx.doi.org/10.1016/S0370-2693(02)02928-3

J. K. Webb et al., Further Evidence for Cosmological Evolution of the Fine Structure Constant, Physical Review Letters 87, 091301 (2001).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.091301

Kontakt
João Magueijo, E-Mail: j.magueijo@ic.ac.uk
John D. Barrow, E-Mail: J.D.Barrow@damtp.cam.ac.uk

Weitere Informationen

Seite von João Magueijo:
http://theory.ic.ac.uk/~magueijo/vsl.html

Seite von John Webb:
http://newt.phys.unsw.edu.au/STAFF/ACADEMIC/webb.html

Seite von Michael Murphy:
http://www.ast.cam.ac.uk/~mim/res.html

Satellite Test of the Equivalence Principle, STEP:
http://einstein.stanford.edu/STEP/

pro-physik.de v. 29.11.2002

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