Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.

Physik: Wichtige Naturkonstante erweist sich als flatterhaft

Von

Ist sie nun fix oder veränderlich? Die sogenannte Feinstrukturkonstante gibt Physikern seit Jahren Rätsel auf. Neue Messungen haben jetzt gezeigt, dass ihr Wert auch vom Ort im Universum abhängt. Größere Abweichungen würden das Leben auf der Erde unmöglich machen.

Alpha: Die wackelige Konstante Fotos
NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling et al. (STECF)

137 - diese Zahl hat es den Physikern angetan. Denn der Bruch 1/137 entspricht nahezu exakt der sogenannten Feinstrukturkonstante Alpha. Erstmals verwendet wurde sie vor knapp hundert Jahren von Arnold Sommerfeld, der damals das Spektrum des Wasserstoffatoms untersuchte. Für die Beschreibung der Feinstruktur der Spektrallinien nutzte er die Konstante von 1/137.

Alpha wird auch als elektromagnetische Kopplungskonstante bezeichnet. Sie gibt die Stärke der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Photonen an, aber auch die Stärke der Abstoßung oder Anziehung zwischen elektrisch geladenen Teilchen wie Protonen und Elektronen. Alpha ist also eine sehr wichtige Konstante - und zugleich ein großes Mysterium. Die Konstante ist einheitenlos, ihr Wert müsste auf der Erde exakt genauso groß sein wie auf einem weit entfernten Stern.

Doch es gibt Zweifel, ob Alpha wirklich konstant ist. Es ist nicht einmal zehn Jahre her, dass ein Forscherteam um John Webb eine Studie veröffentlichte, laut der die Feinstrukturkonstante vor etwa neun Milliarden Jahren 0,0006 Prozent kleiner war als heute. Die Forscher hatten mit dem Keck Telescope in Mauna Kea auf Hawaii das Licht weit entfernter Quasare untersucht. Messungen einer anderen Forschergruppe aus dem Jahr 2004, durchgeführt am Very Large Telescope (VLT) in Chile, ergaben hingegen, dass die Konstante konstant ist.

Nun haben John Webb und seine Kollegen von der University of New South Wales in Australien nachgelegt: Sie kombinierten Messungen am VLT und am Keck Telescope und stellten dabei minimale Abweichungen der Feinstrukturkonstante fest, je nachdem in welche Richtung die Teleskope gerichtet waren. Alpha erwies sich in der nördlichen, von Hawaii aus beobachteten Hemisphäre größer als in der südlichen, die mit dem VLT untersucht wurde, schreiben die Forscher. Ihre Studie haben auf Arxiv.org veröffentlicht und beim Fachblatt "Physical Review Letters" zur Publikation eingereicht.

Ratlosigkeit der Theoretiker

Der Wert der Feinstrukturkonstante ist essentiell für unser Universum. Abweichungen von wenigen Prozent hätten zur Folge, dass Atome nicht existieren würden. Ein kohlenstoffbasiertes Leben, wie wir es von der Erde kennen, wäre unmöglich. Nicht zuletzt deshalb ist die Frage, ob Alpha veränderlich ist, von großer Bedeutung.

Physiker hoffen zugleich, dass neue Messungen wie die nun durchgeführten helfen, das Rätsel der Zahl selbst zu lüften. "Es gibt keine Theorie für diese Konstante", sagt Thomas Udem vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. In den Gleichungen taucht Alpha auf, über ihre Größe wissen die Theoretiker jedoch nichts. Der Wert muss durch Messungen bestimmt werden. Ein unbefriedigender Zustand, findet Udem: "Konstanten hat man in der Theorie nur dann, wenn man etwas nicht ganz verstanden hat."

Der Nobelpreisträger Richard Feynman war fasziniert von Alpha: "Woher kommt diese Kopplungskonstante? Niemand weiß es", schreibt er in dem Buch "QED: The Strange Theory of Light and Matter". Die Zahl sei eines der größten Mysterien der Physik, eine "magische Zahl", die niemand verstehe. "Jeder gute Theoretiker schreibt diese Zahl an die Wand und grübelt darüber."

Noch gerät die Welt nicht aus den Fugen

Webb und seine Kollegen sind sich relativ sicher, dass ihre Messungen an mehr als hundert Quasaren belastbare Ergebnisse geliefert haben. Bei Quasaren in nördlicher Richtung sei Alpha um einen Wert von einem Hundertausendstel erhöht gewesen, in südlicher Richtung um Hundertausendstel verringert. Diese Daten beruhen auf einer statistischen Auswertung der Messungen. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die festgestellten Abweichungen auf Zufall beruhen, liegt nach Angaben der Forscher bei 1:15.000.

Was bedeutet aber dieses Ergebnis? Max-Planck-Forscher Thomas Udem bleibt gelassen: "Solange die Abweichungen gering sind und kaum über das Rauschen hinausgehen, bleibt unser Leben und das Universum so wie es ist." Die Bedeutung der Arbeit sei derzeit schwer einzuschätzen, sagt der Physiker. Zudem gebe es unter Kollegen immer noch Zweifel, ob die festgestellten Abweichungen tatsächlich vorhanden seien oder mit Messfehlern zu erklären seien.

Sollte sich die Feinstrukturkonstante bei weiteren Messungen tatsächlich als unstet erweisen, hätte das weitreichende Folgen: Atomuhren würden plötzlich verschieden schnell gehen. Der Erfinder Ray Kurzweil glaubt sogar an Reisen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.

Diesen Artikel...

© SPIEGEL ONLINE 2010
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH




Der kompakte Nachrichtenüberblick am Morgen: aktuell und meinungsstark. Jeden Morgen (werktags) um 6 Uhr. Bestellen Sie direkt hier: