Gesundheit: Einstein im Test Qualitätsurteil: sehr gut Gleichwertigkeit von Materie und Energie bestätigt

Keine Physikformel ist so bekannt wie Einsteins Gleichung E=mc2. Sie besagt, dass Masse und Energie gleichwertig sind: Bei beiden Zuständen handelt es sich im Prinzip um dasselbe – nur in unterschiedlicher Form.

Aber stimmt das auch? „Einsteins Gleichung ist so weitgehend akzeptiert wie das Evangelium, doch wir dürfen nicht vergessen, dass es sich um eine Theorie handelt“, sagt David Pritchard, Physiker am Massachusetts Institut für Technologie. Man könne der Theorie nur so weit vertrauen, wie sie mit Experimenten getestet wurde.

Pritchard gehört zu einem amerikanischen Forscherteam, das die Einstein-Gleichung jetzt so exakt wie noch nie überprüft hat und die Ergebnisse im Fachmagazin „Nature“ (Band 438, Seite 2) präsentiert. Die Wissenschaftler vom MIT und vom Nationalen Institut für Standard und Technologie (NIST) suchten mit bislang unerreichter Genauigkeit zu messen, ob Masse und Energie wirklich äquivalent sind. Wäre das nicht der Fall, dann geriete die gesamte moderne Physik ins Wanken, denn fast alle ihre Aussagen fußen auf dieser Annahme.

Die Forscher beobachteten Silizium- und Schwefel-Atomkerne dabei, wie sie Neutronen einfingen. Lagert sich ein solches Neutron an einen Atomkern, dann wird Bindungsenergie freigesetzt. Diese Energie fliegt in Form eines Lichtteilchens davon. Wenn Einsteins Gleichung stimmt, dann müsste der Atomkern, während er das Neutron einfängt, ein klein wenig leichter werden. Oder, anders ausgedrückt: Atomkern und Neutron zusammengenommen müssten nach der Vereinigung etwas weniger Masse besitzen als davor. Warum? Weil das wegfliegende Lichtteilchen Energie mitnimmt.

Die amerikanischen Physiker führten zwei Messungen durch. Erstens bestimmten sie die Masse von Atomkern und Neutron vor und nach der Vereinigung. Dazu ließen sie die Atomkerne in einem starken Magnetfeld kreisen. Je leichter die Kerne sind, desto schneller kreisen sie. Wenn man ihre Bewegung sehr lange beobachtet, kann man auch ganz kleine Masseunterschiede erkennen. Zweitens ermittelten die Forscher die Energie des wegfliegenden Lichtteilchens, indem sie dessen Strahlungsfrequenz bestimmten. Die Frequenz hängt mit der Energie unmittelbar zusammen: Kennt man das eine, dann kennt man auch das andere.

Das erste (nicht überraschende) Ergebnis der Messungen lautete: Atomkern und Neutron zusammengenommen werden bei ihrer Vereinigung etwas leichter. Das zweite (wichtigere) Ergebnis lautete: Der Masseverlust entspricht exakt dem Energieinhalt des Lichtteilchens – und zwar auf 0,00004 Prozent genau. Der winzige Differenzbetrag ist dem Umstand geschuldet, dass kein Experiment hundertprozentig genau messen kann. Die vier Hunderttausendstelprozent Unterschied rühren also aus dem geringen Messfehler des Versuchs. Damit, so schreiben die Forscher in „Nature“, sei Einsteins Gleichung 55-mal genauer bestätigt, als es bisher der Fall war.

Wozu die Mühe? „Wir versuchen in der Physik immer so genau zu messen, wie nur irgend möglich“, sagt Wolfgang Hollik, theoretischer Physiker am Max-Planck-Institut für Physik in München. Je präziser eine Theorie bestätigt sei, als umso zuverlässiger gelte sie. Und da in der Physik prinzipiell alles denkbar sei, könne man eben nicht automatisch davon ausgehen, dass Masse und Energie bei jeder beliebigen Messgenauigkeit gleichwertig seien.

Auch in Zukunft, so Hollik, wird die Jagd auf die x-te Nachkommastelle weitergehen. „Sollten wir irgendwann noch schärfer hinschauen können, dann werden wir es auch tun“, sagt er. Die Arbeit der amerikanischen Forscher wird also nicht die letzte gewesen sein, die Einsteins Theorien auf den Prüfstand stellt.