Gesundheit: Die Physik vor dem absoluten Nullpunkt

Es wird immer kälter, zumindest in den Labors: Wissenschaftlern des Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge gelang es nun, auf ein halbes Nanokelvin an den absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius heranzukommen. Ein Nanokelvin entspricht einem milliardstel Grad Celsius oberhalb des Nullpunkts. Von ihrer Arbeit berichten die Forscher, zu deren Köpfen auch der deutsche Nobelpreisträger Wolfgang Ketterle gehört, im Fachblatt „Science“.

Der Weg in die Tiefe kam 1995 zu einem besonderen Punkt, als eine Gruppe von Wissenschaftlern des MIT und der Universität von Colorado in Boulder sich dem Nullpunkt auf ein millionstel Grad näherten. Ketterle und seine Kollegen entdeckten damals, dass sich die Materie bei so niedrigen Temperaturen zu einem weiteren, für die Forschung neuen Aggregatzustand ordnet, zum Bose-Einstein-Kondensat. Für diese Entdeckung gab es 2001 den Physik-Nobelpreis.

Benannt ist der atomare Zustand nach einer Theorie, die Anfang der zwanziger Jahre vom indischen Physiker Satyendra Nath Bose und Albert Einstein aufgestellt worden ist. Da es an der entsprechenden Technik mangelte, konnte die These erst Ende des 20. Jahrhunderts bestätigt werden.

Generell gilt: Je wärmer die Umgebung ist, desto stärker schwingen die Teilchen der Materie – sie wechseln ihren Aggegatzustand von fest über flüssig zu gasförmig und dann zu Plasma. Je kälter es wird, desto schwächer werden die Bewegungen. Dies geschieht von Atom zu Atom unterschiedlich, ganz nach ihrem Energiegehalt. So schießen die Atome eines Gases bei Raumtemperatur mit der Geschwindigkeit eines Düsenflugzeugs durch die Wohnung. In der Nähe des absoluten Nullpunkts kriechen sie dagegen mit etwa fünf Zentimeter pro Minute dahin. Da in dessen Nähe alle Unterschiede des Energiegehalts verloren gehen, können bestimmte Atome sogar ihre Eigenständigkeit verlieren. Sie verhalten sich wie ein einziges „Superatom“ und bewegen sich gleichmäßig, „marschieren gewissermaßen im Gleichschritt“.

Solche Kälte-Experimente führen oft zu Materialeigenschaften, die der Wissenschaft völlig neu sind. Eines der bekanntesten Beispiele ist die „Supraleitung“, 1911 vom holländischen Physiker Kammerlingh-Onnes entdeckt. Senkt man die Temperaturen von Materialien unter ihren jeweiligen „Sprungwert“, dann leiten sie elektrischen Strom ohne jeden Widerstand. Von den Versuchen am absoluten Null erhoffen sich die Wissenschaftler Fortschritte bei Messinstrumenten, etwa Atomuhren und Sensoren für Schwerkraft und Rotation. Die abgebremsten Atome können allerdings nicht in der Petrischale oder im Glaszylinder gehalten werden. Sie würden sofort mit der Oberfläche verkleben. Hierfür braucht man ein System, das die Atome mit Hilfe eines Magnetfelds festhält.

Übrigens schafft es selbst die Natur nicht, den niedrigsten Temperaturwert zu erreichen. Selbst in den Tiefen des Weltalls sollen immer noch um die drei Grad „Wärme“ herrschen – das sind die Hitzereste vom Urknall unseres Universums.

Gideon Heimann