08.03.2006 · Die von Albert Einstein 1905 formulierte Gleichung E=mc2 zählt ohne Zweifel zu den bekanntesten Formeln der Physik. Sie wurde oft erfolgreich überprüft, doch nie so präzise wie jetzt.
© picture-alliance / dpa
Einsteins berühmte Gleichung E=mc2 - präzise überprüft
Die von Albert Einstein 1905 formulierte Gleichung E=mc2 zählt ohne Zweifel zu den bekanntesten Formeln der Physik. Sie folgt aus der Speziellen Relativitätstheorie und besagt, daß die Masse (m) von Materie nichts anderes ist als eine Form von Energie. Über das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit (c) sind beide Größen miteinander verknüpft. Ein physikalischer Vorgang, der die Äquivalenz von Masse und Energie verdeutlicht, ist die Spaltung von Atomkernen. Die Spaltprodukte sind zusammengenommen stets ein wenig leichter als das Ausgangsmaterial. Die Massendifferenz wird der Formel Einsteins gemäß in Energie umgewandelt. Zwar ist die Gültigkeit der Masse-Energie-Beziehung durch zahlreiche Experimente in der Vergangenheit immer wieder untermauert worden. Die erzielte Genauigkeit stellt die Wissenschaftler offenkundig aber nicht zufrieden. Eine internationale Forschergruppe ist angetreten, Einsteins Gleichung mit der bislang größten Präzision zu überprüfen.
Die Wissenschaftler nutzten für ihren Test den radioaktiven Gammazerfall des instabilen Isotops Silizium-29. Dessen Atomkern, der ein Neutron mehr besitzt als der Kern des stabilen natürlichen Isotops Silizium-28, sendet energiereiche Gammastrahlung aus. Der damit verbundene Energieverlust macht sich dadurch bemerkbar, daß der Silizium-29-Kern an Masse verliert.
Unabhängige Experimente
Die Idee der Forscher bestand nun darin, in zwei voneinander unabhängigen Experimenten sowohl die Massendifferenz als auch die Energie der abgestrahlten Gammaquanten zu bestimmen. Damit sollte geprüft werden, ob gewissermaßen die linke und die rechte Seite von Einsteins Beziehung - innerhalb der Meßgenauigkeit - wirklich identische Werte ergeben.
Die Forscher um David Pritchard vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge konzentrierten sich auf die Massenbestimmung. Sie verwendeten eine sogenannte Penningfalle, in der sie einzelne Siliziumionen durch magnetische und elektrische Felder gefangenhielten und auf Kreisbahnen zwangen. Weil die Dauer für einen Umlauf unter anderem von der Masse der Ionen abhängt, ließ sich aus der Umlauffrequenz ermitteln, wie schwer die gefangenen Teilchen waren. Um systematische Fehlerquellen - etwa eine unerwünschte Schwankung des Magnetfeldes - zu eliminieren, sperrten die Wissenschaftler gleichzeitig ein Ion von Silizium-29 und eines des natürlichen Isotops in die Falle und unterzogen beide einer Massenmessung. Lokale Fluktuationen des Magnetfeldes betrafen nämlich beide Isotope gleichermaßen und hoben sich deshalb auf. Nach Subtraktion der Elektronenmassen ermittelten die Forscher das Verhältnis beider Massen und daraus schließlich die gesuchte Massendifferenz des Silizium-29-Kerns.
Messungen an verschiedenen Elementen
Danach wiederholten Pritchard und seine Kollegen die gesamte Prozedur mit dem stabilen Isotop Schwefel-32 und der instabilen Variante Schwefel-33. Dessen Kern, der ebenfalls ein zusätzliches Neutron besitzt, strahlt auch Gammaquanten aus. Durch die Messungen an zwei verschiedenen Elementen ließ sich die Präzision weiter steigern.
In einem zweiten Experiment, das am Institut Laue-Langevin in Grenoble stattfand, wurde die Energie der von den angeregten instabilen Silizium- und Schwefelkernen ausgesandten Gammastrahlen gemessen. Die Forscher um Hans Börner nutzten dazu einen nahezu perfekten Kristall, der Röntgenlicht - und damit die energiereiche Gammastrahlung der Silizium- und Schwefelisotope - in charakteristischer Weise reflektierte. Die Forscher maßen den Winkel, unter dem die auftreffenden Strahlen von den Atomen des Kristallgitters abgelenkt wurden, und ermittelten daraus die Wellenlänge und damit schließlich die Energie der Strahlung.
Unsicherheit von 0,0004 Prozent
Dank der beiden Experimente ließ sich nun die Äquivalenz von Energie und Masse überprüfen. Die Werte für die Massendifferenz mußten gemäß Einsteins Formel mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multipliziert werden. Wie die Forscher in der Zeitschrift "Nature" (Bd.438, S.1096) berichten, ist Einsteins berühmte Formel bis auf eine Unsicherheit von 0,0004 Prozent gültig. Nach Aussage der elfköpfigen Forschergruppe sind die vorgelegten Ergebnisse rund 55 Mal so genau wie Resultate aus dem Jahr 1991.
Bedeutung haben derartige Präzisionsexperimente vor allem deshalb, weil sie die einzige Möglichkeit bieten, systematisch nach Abweichungen von der Relativitätstheorie zu suchen, die sich nicht mehr mit Ungenauigkeiten des Experiments erklären lassen. Diese wären dann ein Indiz für neuartige physikalische Phänomene, die nach einer Erweiterung der Theorie verlangten. Derzeit jedenfalls - so belegt zumindest das Experiment - wackelt Einsteins Theoriegebäude nicht.
Oh je...
Christian May (checkfrog)
- 08.03.2006, 19:23 Uhr
