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Physik : Die ewig Unveränderlichen

An Quasaren (hier PKS 0637-72) lassen sich die Naturkonstanten überprüfen Bild: Nasa

Sie sind in jüngster Zeit ins Gerede gekommen - besonders was ihre Verläßlichkeit betrifft. Dabei gelten sie seit jeher als das Beständigste, was die Physik zu bieten hat: die Naturkonstanten.

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          Sie sind in der jüngsten Zeit ziemlich ins Gerede gekommen - besonders was ihre Verläßlichkeit betrifft. Dabei gelten sie seit jeher als das Beständigste, was die Physik zu bieten hat. Die Rede ist von den Naturkonstanten, die, wie ihr Name schon sagt, bis in alle Ewigkeit unveränderlich sein sollten. Mehr als zwei Dutzend solcher Größen, von der Elementarladung über die Lichtgeschwindigkeit und Newtons Gravitationskonstante bis zum Planckschen Wirkungsquantum, zieren die Grundgleichungen der Physik und garantieren, daß die Welt so ist, wie sie ist. Aber halten die Naturkonstanten auch das, was ihr Name verspricht? Eine Gruppe internationaler Astronomen unter der Leitung des australischen Physikers John Webb bezweifelt das seit einiger Zeit. Andere Forscher halten dagegen - offenbar mit Erfolg, wie die jüngsten Ergebnisse zeigen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Den Stein ins Rollen brachten John Webb und seine Kollegen, als sie vor fünf Jahren die Lichtspektren weit entfernter Quasare mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii ins Visier nahmen. Eine genaue Analyse lieferte eine seltsame Verschiebung der Absorptionslinien, die sich mit der gewagten Annahme erklären ließ, die Feinstrukturkonstante Alpha - gewissermaßen die Mutter aller Naturkonstanten - sei vor zehn Milliarden Jahren kleiner gewesen als heute. Die Forscher fanden zwar nur eine Abweichung von einem hundertstel Promille. Die Nachricht allein löste aber bereits zum Teil wilde Spekulationen vor allem bei jenen Theoretikern aus, die endlich die Chance witterten, an einem lang gehegten Tabu rütteln zu können. Denn veränderliche Naturkonstanten sind nicht nur eine semantische Kuriosität, sondern bringen auch so manche bewährte Theorie zum Einsturz. Eine schwankende Feinstrukturkonstante wäre besonders dramatisch, da sie die Kraft zwischen den Atomkernen und den Elektronen in der Atomhülle bestimmt. Nähme der Wert von Alpha mit der Zeit zu, stürzten die Atome eines fernen Tages in sich zusammen, und es gäbe keine Materie mehr. Ein Trost: Die Sonne wäre dann allerdings schon längst erloschen.

          Freud und Leid der Physiker

          Man solle doch lieber die Daten der Astronomen anzweifeln als etablierte Theorien stürzen, mahnen dagegen eher besonnene Forscher, die den australischen Messungen skeptisch gegenüberstehen. Die Fehler seien nicht ausreichend berücksichtigt worden. Den Mahnern zum Trotz haben die Forscher um Webb unlängst neue Daten vorgelegt, die ihre These zu erhärten scheinen. Mittlerweile stützen sich die Ergebnisse der Astronomen auf die Daten von mehr als 100 Quasaren („Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“, Bd. 354, S. 609).

          Die Naturkonstanten sind der Physiker Freud und Leid zugleich. Obwohl sie die Größen mit immer größerer Genauigkeit bestimmen können, stehen sie ihren krummen Werten nach wie vor ratlos gegenüber. Besonders der Wert von Alpha ist vielen ein Dorn im Auge. Arnold Sommerfeld hatte die Konstante 1915 eingeführt, um die feine Struktur der sichtbaren Spektrallinien von Wasserstoffatomen erklären zu können. Sie ist eine dimensionslose Größe, deren Wert sich aus drei anderen fundamentalen Naturkonstanten berechnen läßt - aus der Elementarladung, der Lichtgeschwindigkeit und dem Planckschen Wirkungsquantum. Einige Theoretiker mutmaßen bereits darüber, ob die Variation von Alpha eher auf einen schwankenden Wert der Lichtgeschwindigkeit oder auf eine variable Elektronenladung hindeutet. An der Konstanz des Wirkungsquantums wird dagegen selten gezweifelt.

          War das Licht früher schneller?

          Die Debatte um eine variable Feinstrukturkonstante kommt den notorischen Zweiflern an der Relativitätstheorie Albert Einsteins, die eine konstante Lichtgeschwindigkeit voraussetzt, sehr gelegen. So ist João Magueijo vom Imperial College in London felsenfest davon überzeugt, daß die Lichtgeschwindigkeit in der frühen Phase des Universums deutlich größer war als heute. Damit glaubt er, ein Argument gegen die sogenannte Inflationstheorie gefunden zu haben, nach der sich der Kosmos zunächst explosionsartig ausdehnte. Denn auch ein schnelleres Licht hätte, ohne ein sich rasch ausdehnendes Universum, den ganzen Raum gleichmäßig durchfluten und so für einen homogenen Kosmos sorgen können. Doch die Fachwelt nimmt die Theorie der variablen Lichtgeschwindigkeit nicht sonderlich ernst, zumal Magueijo als Enfant terrible in der Wissenschaftsgemeinde gilt. Mehr Aufmerksamkeit schenkt man dagegen Harald Fritsch von der Universität München. Er hat berechnet, daß sich durch ein schwankendes Alpha auch die Masse des Protons mit der Zeit verändern müsse. Der experimentelle Beweis steht allerdings noch aus.

          Ob sich die Feinstrukturkonstante im Laufe der Zeit ändert, läßt sich dank neuer Präzisionsmessungen nun auch im Labor prüfen. Denn die Physiker können mittlerweile die Eigenschwingungen einer Reihe Atome extrem genau messen, womit sich unter anderem Alpha präsize bestimmen läßt. Vor vier Jahren hatten Forscher um Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching auf diese Weise den bis dahin genauesten Wert von Alpha ermittelt. Kürzlich haben sie die Messungen zusammen mit französischen Kollegen wiederholt. Das Ergebnis: In den vergangenen vier Jahren hat sich der Wert der Naturkonstanten Alpha nicht verändert, jedenfalls nicht bis zur 15. Stelle nach dem Komma.

          Neue Hinweise auf die Konstanz von Alpha

          Inzwischen haben auch zwei Gruppen von Astronomen neuere Messungen vorgelegt, die die australischen Forscher nicht erfreuen dürften. Der Astrophysiker Dieter Reimers von der Universität Hamburg und seine Kollegen haben mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte auf dem Mount Paranal in Chile kürzlich einen besonders hellen Quasar vermessen und aus den Absorptionslinien von Eisen auf den Wert von Alpha im frühen Universum geschlossen. Zu 90 Prozent sind sich die Forscher sicher, daß Alpha im Laufe der Zeit konstant geblieben ist, berichten sie in einer der kommenden Ausgaben der Zeitschrift „Astronomy & Astrophysics“. Zu einem ähnlichen Ergebnis ist jüngst auch eine indisch-französische Gruppe von Astronomen gekommen, die ebenfalls mit dem Teleskop in Chile die Absorptionslinien von Magnesium bei einer Gruppe von Quasaren genauer unter die Lupe genommen hat („Physical Review Letters“, Bd. 92, Nr. 121302).

          Ist die Feinstrukturkonstante also doch unveränderlich und das Weltbild der Physik weiterhin intakt? Die jüngsten Ergebnisse lassen daran zumindest kaum mehr Zweifel. Allerdings dürften sich Webb und seine Kollegen nicht geschlagen geben, und die Debatte wird wohl noch lange weitergehen. Schließlich hat es auch seinen Reiz, gegen den Strom zu schwimmen und an etablierten Theorien zu rütteln.

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