Planeten
28.08.2005 um 12:46
Physik
Das Weltall schwankt
Eine der wichtigsten Naturkonstanten ist gar nicht konstant, behaupten Astronomen. Das wäre schlecht für das Universum. Münchner Physiker wollen jetzt noch mal nachmessen
Von Max Rauner
Politik zählt nicht gerade zu Michael Duffs Leidenschaften. Als Direktor des Michigan Center for Theoretical Physics treibt er lieber die Suche nach der Weltformel voran. Doch jetzt hat Duff eine Partei gegründet: die Null-Konstanten-Partei. Ihr Kampf gilt den Grundpfeilern der Physik – wie etwa der Lichtgeschwindigkeit und der Gravitationskonstante. In den Lehrbüchern der Physik werden die Naturkonstanten wie die Zehn Gebote aufgelistet. Für den Ketzer Duff sind sie „willkürliche menschliche Konstrukte“. Jetzt will er das Vermächtnis der Altväter aus der Physik verbannen.
Die Polemik ist nicht ganz ernst gemeint. Doch der Grundsatzstreit unter den Physikern ist echt – und die Thesen sind radikal. Nichts scheint mehr heilig: Newtons Gravitationskonstante? Schwankt wie der Börsenkurs. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, deren Konstanz für Einstein das Fundament seiner Relativitätstheorie war? Plötzlich soll sie alles andere als konstant sein. Die Ladung des Elektrons? Mal größer, mal kleiner. Für manche wackelt schon die gesamte moderne Physik, sogar die Relativitätstheorie steht zur Diskussion.
Ausgelöst wurde der Aufruhr vor einem Jahr, als ein internationales Forscherteam die Auswertung von Lichtspektren weit entfernter Sterne präsentierte. Ergebnis: Die Naturkonstante Alpha – so etwas wie die Mutter aller Konstanten – hatte im frühen Universum einen kleineren Wert als heute. Die Abweichung beträgt nur ein hundertstel Promille, doch es scheint, als habe die Nachricht ein Denkverbot gekippt. Inzwischen verzeichnet das elektronische Archiv der Physiker, www.arxiv.org, fast täglich ein ketzerisches Manuskript, in dem die eine oder andere Naturkonstante infrage gestellt wird. Eine Veränderung der „Feinstrukturkonstanten“ Alpha wäre besonders dramatisch, weil diese die Kraft zwischen dem Atomkern und der Elektronenhülle bestimmt. Wäre Alpha zu groß, gäbe es keine Materie.
Noch mahnen Skeptiker, man solle lieber die Messdaten der Astronomen anzweifeln, als etablierte Theorien zu stürzen. Doch in den nächsten Wochen wollen die Sternengucker neue Daten vorlegen, die den Befund erhärten sollen. Ihre Analyse stützt sich mittlerweile auf die Untersuchung von 150 Quasaren, hellen Sternen am Rand des Universums.
Ein Kartenhaus von Konstanten
„Die Naturkonstanten spiegeln zugleich unser größtes Wissen und unsere größte Ratlosigkeit wider“, sagt der Astrophysiker und Bestsellerautor John Barrow von der Universität Cambridge, der die Sterndaten mit ausgewertet hat. „Obwohl wir die Naturkonstanten mit immer größerer Genauigkeit messen, können wir ihre Werte nicht erklären.“ Sie bergen das letzte Geheimnis des Universums. Nicht nur Newtons Gravitationskonstante und die Lichtgeschwindigkeit gehören dazu, sondern unter anderem die Avogadro-, die Boltzmann- und die Faraday-Konstante. Das System der Naturkonstanten gleicht einem sorgsam austarierten Kartenhaus. Das Haus ist stabil, solange sich nichts bewegt. Doch die kleinste Veränderung könnte alles einstürzen lassen.
Ganz unten im Kartenhaus steckt die Konstante Alpha. „Wenn der Wert von Alpha weiter anwächst“, sagt der israelische Theoretiker Jacob Bekenstein, „werden die Atome eines Tages in sich zusammenstürzen.“ Das Universum werde dann nur noch aus Strahlung bestehen. „Keine Materie, kein Leben – ziemlich langweilig.“ Bekenstein machte schon in den achtziger Jahren den Vorschlag, einigen „Konstanten“ ihre Unantastbarkeit zu nehmen. Von den jüngsten Messungen fühlt er sich bestätigt. John Barrow beschreibt das Szenario in seinem gerade erschienenen Buch Von Alpha zu Omega als „Einbahnstraße in die Auslöschung“. Einziger Trost: Das traurige Ende liegt noch in weiter Ferne, wenn die Sonne längst erloschen ist.
Die Physiker hassen und lieben ihre Konstanten zugleich. Einerseits wäre die Physik ohne Naturkonstanten nicht denkbar (siehe Kasten auf Seite 25). Auf der anderen Seite wurmt es die Forscher, dass sie einige Faktoren in ihren Formeln gleichsam von Hand hinzufügen müssen. Max Planck träumte von einer Theorie mit einer einzigen Konstanten, aus der man alle anderen ableiten könnte. Albert Einstein hätte am liebsten nur noch Zahlen wie 2, p und die Eulersche Zahl e in einer allumfassenden Theorie gesehen. Doch bis heute weiß niemand, ob Naturkonstanten nur Zufälle sind oder sich aus grundlegenden Prinzipien berechnen lassen. Die Stringtheoretiker wählten diese Frage unlängst in die Top Ten der ungelösten Probleme.
Am meisten ärgern sich die Physiker über die krummen Werte der Naturkonstanten. Dass Licht mit 299792 Kilometern pro Sekunde durchs Weltall flitzt, ist dabei noch das geringste Übel. Was den Physikern mehr Kopfschmerzen bereitet, sind fundamentale Konstanten wie Alpha. Sie sind aus den anderen Naturkonstanten derart zusammengesetzt, dass die vom Menschen willkürlich festgelegten Maßeinheiten sich herauskürzen. Alpha kommt ohne Gramm, Meter und Sekunde aus und ist ein reiner Zahlenwert – ungefähr 1/137,036.
Der merkwürdige Bruch wurde 1915 von Arthur Sommerfeld eingeführt, um die Bahn der Elektronen um den Atomkern zu beschreiben. Seitdem rätselt man, warum gerade eine hässliche 137 unter dem Bruchstrich steht. Den Quantenphysiker Wolfgang Pauli verfolgte der seltsame Wert von Alpha bis an sein Lebensende. Schließlich starb Pauli in einem Krankenhauszimmer mit der Nummer 137. Auch Werner Heisenberg versuchte, Alpha aus einer Kombination „schönerer“ Zahlen zusammenzusetzen. Er multiplizierte, quadrierte und dividierte die Zahlen 2, 3 und p, bis es einigermaßen passte. Doch der geschönte Wert stimmte nicht mit den Experimenten überein.
„Solche Versuche müssen wir für gescheitert erklären“, sagt heute der Theoretische Physiker Harald Fritzsch von der Universität München. Für weitaus spannender als die Zahlenmystik von gestern hält er die neuen Beobachtungen, denen zufolge Alpha im frühen Universum einen kleineren Wert hatte: „Das hätte enorme Konsequenzen.“ Fritzsch hat ausgerechnet, was dies für das fragile Gleichgewicht der Naturgesetze und ihrer Konstanten bedeuten würde: Nicht nur Alpha, sondern auch die Masse des Protons würde demnach schwanken – sogar zehnmal so stark. Um diese Vorhersage zu testen, braucht der Münchner Physiker nicht in den Himmel zu gucken. Ein paar Türen weiter haben sein Kollege Theodor Hänsch und dessen Doktoranden vor vier Jahren einen Rekord in Sachen Präzisionsmessung aufgestellt und die Masse des Protons indirekt mit einer Genauigkeit von 14 Dezimalstellen bestimmt. Dazu verglichen sie den Takt von zwei Atomuhren, der ebenso wie die Spektrallinien der Sterne von Alpha abhängt. Im Januar wollen sie die Messung wiederholen. „Wenn Alpha so schnell variiert, wie von den Astronomen vorhergesagt, werden wir einen Effekt sehen“, frohlockt Hänsch.
Geistesblitz in den Flitterwochen
Auch eine andere Konstante geriet unlängst in den Verdacht, gar nicht konstant zu sein: Newtons Gravitationskonstante. Der Grund: Die bisherigen Messungen von G schwanken um knapp ein Prozent. In der Welt der Präzisionsphysik ist das ein Skandal. Ausgerechnet die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig liegt am weitesten neben anderen Metrologie-Instituten. Aber auch Terry Quinn, Präsident des Bureau International des Poids et Mesures in Paris und gleichsam Chef aller Einheiten, hat im vergangenen Jahr einen Wert veröffentlicht, der um 0,4 Promille neben den meisten anderen liegt. Anders als Alpha, das sei zur Ehrenrettung der Forscher gesagt, ist G ungleich schwerer zu bestimmen, weil die Gravitationskraft so schwach ist.
Schon gibt es Theoretiker, die über eine zeitliche Variation von G spekulieren. Sie stellen zwar nur eine Minderheit dar, dürfen sich aber in guter Gesellschaft wähnen. Schon Paul Dirac, einer der Väter der Quantenmechanik, schlug eine zeitabhängige Gravitationskonstante vor, um einige magische Zahlenverhältnisse im Weltall zu erklären. Den Artikel schrieb er während der Flitterwochen – was ihm prompt einen Rüffel des Kollegen Gamow einbrachte: „Das passiert, wenn Leute heiraten.“ Diracs Idee verschwand in der Versenkung und wird nur gelegentlich wieder hervorgeholt. Auch heute glaubt die Mehrzahl der Physiker, dass die Ungereimtheiten um G lediglich auf experimentelle Schwierigkeiten zurückzuführen sind und sich eines Tages auflösen lassen.
Anders scheint es um das Schicksal von Alpha bestellt. Die Messungen der Astronomen sind Präzisionsarbeit. Sie spähen nach Signalen aus bis zu 11 Milliarden Lichtjahren Entfernung (zum Vergleich: Das Universum ist 13 bis 14 Milliarden Jahre alt, die Erde etwa 4,5 Milliarden). Mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii konnten sie genügend Licht einfangen, um die charakteristischen Spektrallinien weit entfernter Atome zu vermessen, eine Art Strichcode der frühen Materie. Und dabei beobachteten sie, dass die Lichtwellen von Eisen, Nickel, Magnesium, Zink und Aluminium weit draußen im All etwas andere Frequenzen haben als die Spektren dieser Elemente auf der Erde. Diese Farbunterschiede sind so klein, dass sie erst mit den Präzisionsspektrometern des Keck-Teleskops erkannt werden konnten. „Es war eine Riesenüberraschung“, erinnert sich der Astrophysiker John Barrow. Die Messungen ließen für ihn nur einen Schluss zu: Im frühen Universum, vor elf Milliarden Jahren, war Alpha ein wenig kleiner als heute auf der Erde. „Die größte Entdeckung seit 50 Jahren“, schwärmte Robert Scherrer von der Universität von Ohio. Doch nicht alle Astronomen teilen die Euphorie. „Es ist eine schwierige Messung“, sagt der Heidelberger Astrophysiker Immo Appenzeller, der am Aufbau des Very Large Telescope in Chile beteiligt ist. „Ich bezweifle, dass die Fehler richtig abgeschätzt wurden.“
John Barrow verteidigt die Analyse. Die Statistik lasse keine Zweifel. Außerdem hätten seine Kollegen sorgfältig mögliche Fehlerquellen überprüft. Gleichwohl weiß auch Barrow: Erst eine unabhängige Messung mit einem anderen Teleskop kann die Zweifel ausräumen. Das hat den umtriebigen Physiker aber nicht davon abgehalten, schon mal darüber zu spekulieren, warum Alpha nicht konstant bleibt. Die Beobachtungen ließen sich durch ein neues physikalisches Feld erklären, schrieb er in einem Artikel für die Zeitschrift Physical Review Letters. Die dunkle Materie im All und die sichtbare Materie würden, wie durch ein unsichtbares Band verbunden, aneinander hängen. Das klingt fantastisch, hätte aber noch einen anderen messbaren Effekt: Verschiedene Materialien würden ohne Luftwiderstand mit etwas unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu Boden fallen, im Widerspruch zur Schulphysik. Ein Stein hätte ein anderes Tempo als eine Kugel aus Blei. In der Sprache der Physiker: Träge und schwere Masse wären nicht mehr identisch. Wenn die Nasa mitmacht, wird das Satellitenexperiment Step (Satellite Test of the Equivalence Principle) die Vorhersage in zwei Jahren testen.
Die Sache hat nur einen Haken: In Westafrika haben Geologen schon in den sechziger Jahren eine unterirdische Uranmine entdeckt, die auf die jüngste Entwicklung von Alpha schließen lässt. Vor zwei Milliarden Jahren war das Uran dort so dicht gepackt, dass eine natürliche Kettenreaktion begann. Der Reaktor köchelte einige Zeit und erlosch wieder. Aus der Umwandlung der chemischen Elemente in jener Vorzeit lässt sich der Wert von Alpha vor zwei Milliarden Jahren berechnen. Und der stimmt mit dem heute bekannten Wert ziemlich gut überein, nicht jedoch mit den Sterndaten. Fazit: Ist auf die Daten der Quasare als auch der Oklo-Mine Verlass, hat der Wert von Alpha im frühen Universum um ein paar hundertstel Promille zugenommen, bleibt aber seit zwei Milliarden Jahren wieder konstant. Theodor Hänsch und der Step-Satellit dürften also gar keine Veränderungen mehr messen.
Solch ein Hin und Her – erst Zunahme, dann Stagnation – wäre für die Naturgesetze des Kosmos recht ungewöhnlich. Theoretiker wie Harald Fritzsch glauben eher an eine stetige Zunahme von Alpha. „An der Interpretation der Oklo-Daten habe ich meine Zweifel“, sagt Fritzsch. Im Gegensatz dazu versucht Barrow in seinem neuen Buch zu erklären, warum Alpha in jüngster Zeit wieder konstant bleibt. Die Vakuumenergie des Universums habe die Zunahme gestoppt. Solche Thesen finden unter den Theoretikern indes kaum Anhänger. Die meisten müssen sich ohnehin erst mal an den Gedanken gewöhnen, dass Alpha womöglich gar nicht konstant ist.
Konstant in elf Dimensionen?
Einige Stringtheoretiker freuen sich allerdings schon. Bei allem Vorbehalt gegenüber den Daten: „Wenn Alpha variiert, geht es in die richtige Richtung“, sagt Hermann Nicolai vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Die Stringtheorie – sie versucht, alle Erscheinungen auf das Schwingen winziger Energiefädchen (strings) zurückzuführen – geht von elf Dimensionen aus, von denen die Menschen allerdings nur drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension wahrnehmen. Von den wahren Naturkonstanten im elfdimensionalen Raum würden wir nur einen Schatten sehen, erklärt Nicolai, eine Projektion auf vier Dimensionen. Und dieser Schatten könne durchaus ein bisschen schwanken, obwohl die Konstanten in elf Dimensionen stabil sind. In einer theory of everything wollen die Stringtheoretiker eines Tages mit einer einzigen Fundamentalkonstante auskommen.
Vielleicht sind die jüngsten Signale vom Rand des Universums ein erster Hinweis auf diesem Weg. Die zahlreichen Theorieartikel des vergangenen Jahres sprechen dafür. Die Zunft ist zwar berüchtigt für ihre überbordende Fantasie – „Kosmologen haben nie Unrecht, aber immer Zweifel“, flachste der russische Physiker Lev Landau.
Doch diesmal werden die Zweifel von echten, wenn auch noch unsicheren Daten genährt. Vielleicht gibt es aber auch eine ganz banale Erklärung für die emsige Forschertätigkeit. Sie stammt von Gerhard Börner vom Max-Planck-Institut für Astrophysik: „Die Theoretiker langweilen sich, weil die großen Teilchenbeschleuniger wegen Umbau gerade keine Daten liefern.“
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