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Anziehung im All: Physiker auf der Spur der unbekannten Kraft

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Die Schwerkraft spürt jeder, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen ist etwas für Experten - doch gibt es auch eine weitere, bisher unbekannte Grundkraft der Physik? Diese umstrittene, fünfte Wechselwirkung könnte viele Probleme der Kosmologie lösen - aber auch neue schaffen.

Das Leben wird komplizierter, wenn es statt vier plötzlich fünf Kräfte gibt. Diese Erfahrung mussten in den vergangenen Jahren etwa die alteingesessenen Parteien im Bundestag machen, als die Linke die herkömmliche Parlamentsarithmetik ins Wanken brachte. Koalitionen aus einer großen und einer kleinen Partei besaßen plötzlich keine absolute Mehrheit mehr - nur Große Koalitionen oder Dreierbündnisse reichen dafür noch aus.

Kompliziertere Verhältnisse drohen auch in der Welt der Physik, sollte dort eine fünfte Kraft Einzug erhalten. Bislang unterscheiden Physiker nur vier Kräfte:

  • die Elektromagnetische Wechselwirkung (zum Beispiel zwischen Magneten),
  • die Starke Wechselwirkung (zwischen Protonen und Neutronen im Atomkern),
  • die Schwache Wechselwirkung (nur bei sehr geringen Abständen),
  • die Gravitation.

Diese vier Grundkräfte reichen im Prinzip aus, um die Vorgänge in der Welt um uns herum zu beschreiben. Doch schon länger spekulieren Forscher über eine bislang unbekannte fünfte Kraft in der Kosmologie, die ähnlich groß ist wie die Gravitationskraft, aber nur auf Dunkle Materie wirkt, die mehr als 20 Prozent des Universums ausmachen soll. Sie hätte zur Folge, dass Teilchen aus Dunkler Materie stärker beschleunigt werden als Teilchen aus herkömmlicher Materie, sofern sie unter dem Einfluss Dunkler Materie stehen.

Eine solche Kraft könnte einige Diskrepanzen zwischen Theorie und Beobachtungen in der Kosmologie beseitigen. Beispielsweise umkreisen deutlich weniger kleinere Galaxien unsere Milchstraße, als es Modellrechnungen vorhersagen. Würde in den Simulationen eine fünfte Kraft berücksichtigt, kämen Theorie und Praxis näher zusammen.

Jo Bovy und Glennys Farrar von der New York University haben nun analysiert, welche Konsequenzen die Existenz einer solchen fünften Kraft hätte. Das Ergebnis: Der direkte Nachweis der Dunklen Materie wäre erschwert oder gar unmöglich - genau so, wie es sich in der Wirklichkeit darstellt. Sollte die Beobachtung Dunkler Materie aber dennoch gelingen, würde das wiederum gegen die Existenz einer fünften Kraft sprechen, schreiben die Physiker im Fachblatt "Physical Review Letters" (PDF-Dokument bei arxiv.org).

Simulationen mit der Realität versöhnen

Nach der Dunklen Materie fahnden Astrophysiker schon länger. 2006 beobachteten Forscher der University of Arizona die Kollision zweier Galaxienhaufen, bei der Dunkle und sichtbare Materie auseinandergerissen worden sein sollen. Es handle sich um den ersten direkten Beweis, dass Dunkle Materie existieren müsse,hieß es damals. Im Februar 2008 meldeten Wissenschaftler einen weiteren indirekten Nachweis des mysteriösen Stoffs.

Der Grund, warum Astronomen so erpicht auf die Dunkle Materie sind, ist relativ einfach: Ohne sie wären fundamentale Vorgänge im All kaum zu erklären. Die Galaxien etwa müssten von der Fliehkraft ihrer Rotation zerrissen werden, wenn die Dunkle Materie sie nicht zusammenhielte.

Mit einer hypothetischen fünften Kraft beschäftigen sich jedoch nicht nur Kosmologen. Auch Teilchenphysiker sprechen immer mal wieder davon - und meinen damit eine ganz andere Kraft. "Der Begriff fünfte Kraft fasst alle Phänomene einer Wechselwirkung zusammen, die wir bisher noch nicht nachgewiesen haben", sagt Holger Gies, Professor am Theoretisch-Physikalischen Institut der Universität Jena. "Sie ist im Grunde ein Platzhalter, ein Sammelsurium." Es könne nicht nur fünf, sondern auch sechs oder sieben Kräfte geben.

Geht's durch die Wand oder nicht?

Beispielsweise könne eine bislang unbekannte Kraft aus der Teilchenphysik erklären, warum Licht womöglich eine an sich undurchdringliche Wand durchqueren kann, sagt Gies im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Mit dem Quantenphänomen Tunneln, der kleinen Teilchen das Passieren von Barrieren erlaubt, die in der klassischen Physik unüberwindbar sind, habe diese Wanddurchquerung nichts zu tun, betont der Jenaer Physiker, es wäre ein Effekt der Quantenfeldtheorie. "Um ein solches Phänomen zu beweisen, suchen Forscher hinter einer Wand nach Photonen, wo ja eigentlich keine sein dürften." Gefunden habe man aber bislang noch nichts. Mit anderen Worten: Die Kraft existiert bislang nur im Kopf von Theoretikern.

Dass Physiker immer wieder über Erweiterungen ihrer Modelle nachdenken, überrascht kaum. Ihnen bleibt gar keine andere Wahl, weil die bestehenden Theorien, so gut sie auch sind, immer wieder an ihre Grenzen stoßen. Beispiel Teilchenphysik: Mit dem sogenannten Standardmodell wird der Baukasten aus 24 Teilchen beschrieben, aus denen alle uns bekannte Materie aufgebaut ist, darunter Quarks und Photonen. Das Modell hat bei großen Energien, wie sie am Genfer Teilchenbeschleuniger LHC erreicht werden sollen, jedoch Inkonsistenzen. Ein Ausweg aus dem Dilemma wäre ein neues, bislang nicht nachgewiesenes Mitglied im Teilchenzoo der Physik: das Higgs-Boson, auch Gottesteilchen genannt.

Lang- oder kurzreichweitig?

Ob es in der Physik nun mehr als vier Kräfte gibt oder nicht, vermag derzeit niemand zu sagen. Theoretiker können zumindest Hilfestellung bei der Konzeption von Experimenten geben, mit denen man die Kraft bestätigen könnte. "Viele Modelle einer fünften Kraft sind Variationen der Gravitationskraft", sagt Gies. Alle diese Modelle hätten mit Austauschteilchen zu tun, auch Botenteilchen genannt, die Kräfte zwischen Elementarteilchen vermitteln. Ein Beispiel dafür ist das bislang noch hypothetische Graviton. "Sollten diese Austauschteilchen eine Masse besitzen, dann wäre die postulierte fünfte Kraft kurzreichweitig." Gravitonen haben laut Modell übrigens keine Masse, weshalb die uns wohlbekannte Gravitation auch über lange Strecken wirkt.

Wie aber könnte man die hypothetische fünfte Kraft nachweisen? "Die Experimente sind nah am Kern der Gravitationstheorie selbst", sagt Jochen Weller von der Ludwig-Maximilian-Universität München. Alles habe gewissermaßen mit Galileo angefangen, als er am schiefen Turm von Pisa gezeigt habe, dass Körper mit verschiedenen Massen gleich schnell fallen. Die Physiker kennen seit dem das sogenannte Äquivalenzprinzip, wonach "schwere Masse" und "träge Masse" gleich sind. Die schwere Masse ist dabei die Ursache für Gravitation; als träge Masse bezeichnen die Forscher den Widerstand eines Körpers gegenüber Änderungen seines Bewegungszustands.

Die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips wurde im Sonnensystem sehr gut nachgewiesen, beispielsweise mit Pendelversuchen auf der Erde oder an Bord des Nasa-Satelliten "Gravity Probe A". "Es stellt sich aber die Frage, ob das auch für die Dunkle Materie gilt", sagt Weller. Zumindest die einfachsten Arten Dunkler Materie folgen nach seinen Angaben dem Äquivalenzprinzip.

Mit schlichten Pendelversuchen werden die Forscher kaum zum Ziel kommen. "Weil wir keinen Zugang zu Dunkler Materie haben, können wir auch keine Experimente damit im Labor durchführen", erklärt der New Yorker Physiker Jo Bovy im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. So blieben nur astrophysikalische Beobachtungen, um die fünfte Kraft nachzuweisen.

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Physik: Gibt es eine fünfte Kraft?


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