Gesundheit : Ende der Ewigkeit

In der Physik gibt es unumstößliche Größen, die für immer gelten. Oder doch nicht?

Rainer Kayser

Eine Hand voll Zahlen bestimmt das Schicksal des Universums: physikalische Konstanten wie die Lichtgeschwindigkeit, die Gravitationskonstante, die Elementarladung und das Planck’sche Wirkungsquantum – die wichtigste Konstante in der Quantenphysik. Doch sind diese „Naturkonstanten“ wirklich für alle Zeit unveränderlich?

Physiker suchen nach Anzeichen für zeitliche Änderungen der fundamentalen Größen. Mit gutem Grund: Die Entdeckung einer solchen Änderung wäre der Durchbruch auf der Suche nach einer „neuen Physik“, die Quanten- und Relativitätstheorie widerspruchsfrei miteinander vereint. Bislang sind die Ergebnisse jedoch höchst widersprüchlich.

So präsentiert eine internationale Forschergruppe um Michael Murphy von der Universität Cambridge seit einigen Jahren immer neue Daten, die für eine Änderung der Feinstrukturkonstanten im Verlauf von zehn Milliarden Jahren sprechen. Die Feinstrukturkonstante – mit dem griechischen Buchstaben Alpha abgekürzt – ist eine Kombination aus Elementarladung, Lichtgeschwindigkeit und Planck’schem Wirkungsquantum. Der Vorteil der Kombination: Alpha ist eine reine Zahl ohne physikalische Einheiten und damit unabhängig von den – letztlich ja vom Menschen willkürlich festgelegten – Einheiten für Längen- und Zeitmessungen. Alpha bestimmt über die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie und beeinflusst damit alle möglichen physikalischen Prozesse.

So hat Alpha zum Beispiel Einfluss auf das Licht: Murphy und seine Kollegen haben das Licht von 68 Quasaren – hellen Galaxienkernen – mit höchstmöglicher Genauigkeit untersucht. In deren Lichtspektren finden sich viele dunkle Linien: Bei diesen Wellenlängen haben zwischen dem Quasar und uns liegende Gaswolken die Strahlung absorbiert. Aus den relativen Abständen dieser Spektrallinien können die Astronomen bestimmen, wie groß die Feinstrukturkonstante in früheren kosmischen Epochen war. Die von Murphy gefundene Abweichung vom heutigen Wert beträgt allerdings nur ein Hunderttausendstel und liegt damit kaum über der Streuung der einzelnen Messwerte. Oder, wie die Kritiker sagen, sogar unterhalb dieser Streuung.

Andere Forscher konnten Murphys Befund bislang nicht bestätigen. Im Gegenteil: Ein französisch-indisch-deutsches Team um Hum Chand vom Astronomischen Zentrum in Puna sowie Dieter Reimers von der Hamburger Sternwarte fanden bei einer Untersuchung von 19 Quasaren, dass Alpha sich in den vergangenen zehn Milliarden Jahren höchstens um 0,6 Millionstel geändert haben kann. Doch Murphy verteidigt seine Messungen, die nach seiner Aussage 30-mal genauer seien als die der Kritiker. Die wiederum bezweifeln das: Murphys Verfahren sei zu komplex und deshalb anfällig für systematische Fehler.

Widersprüchliche Daten erhalten die Physiker aber nicht nur aus kosmischen Entfernungen, sondern auch aus dem Inneren der Erde. Im afrikanischen Gabun gibt es ein gewaltiges unterirdisches Uranreservoir, das vor zwei Milliarden Jahren für rund 500 000 Jahre als „natürlicher Kernreaktor“ aktiv war. Eine langsame Veränderung von Alpha müsste sich auch auf die Zusammensetzung radioaktiver Zerfallsprodukte ausgewirkt haben. Bei einer Untersuchung des Gabun-Reaktors kamen der Franzose Thibault Damour und der Amerikaner Freeman Dyson 1996 jedoch zu dem Schluss, dass sich Alpha in den letzten zwei Milliarden Jahren nicht geändert hat. Im Gegensatz dazu publizierte Steve Lamoreaux vom Los Alamos National Laboratory im vergangenen Jahr neue Daten, die auf eine winzige Änderung der Feinstrukturkonstanten um ein halbes Milliardstel hindeuten.

Wenn die Natur kein eindeutiges Ergebnis liefert, dann vielleicht eine Laboruntersuchung unter idealen Bedingungen. Diesen Weg beschreitet derzeit Physik-Nobelpreisträger Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Seine „Frequenzkammtechnik“ erlaubt es, die Wellenlängen von Lichtquellen mit einer so hohen Genauigkeit zu messen, dass sich Änderungen von Alpha schon innerhalb von wenigen Jahren verraten sollten.

Bislang konnte Hänsch aber keine Änderung feststellen. Gleichwohl bleiben die Physiker optimistisch, dass sie über kurz oder lang fündig werden. „Wie sollen Naturgesetze ewig unveränderlich sein, wenn das Universum selbst erst 14 Milliarden Jahre alt ist?“, fragt etwa der kanadische Physiker Lee Smolin und ergänzt spöttisch: „Womit haben sich denn die Naturgesetze beschäftigt, bevor es das Universum gab?“

Eine Antwort auf diese Fragen könnte die verzweifelt gesuchte „Theorie von allem“ geben, in der Quanten- und Relativitätstheorie vereinigt werden sollen. Einige moderne Ansätze für eine solche Theorie beschreiben das Universum als eine dreidimensionale Membran, die sich durch einen höherdimensionalen Raum bewegt. Die Werte der Naturkonstanten könnten dann davon abhängen, wo sich das Universum gerade befindet.

Der Nachweis einer noch so geringen Änderung der Feinstrukturkonstanten würde den Forschern einen ersten Blick auf die neue Physik der „Theorie von allem“ erlauben. Vielleicht macht die Natur den Physikern aber auch einen Strich durch die Rechnung: Die Konstanten könnten nämlich nicht nur zeitlich, sondern auch räumlich schwanken – und auch deshalb bei Messungen an fernen Galaxien und Quasaren widersprüchliche Ergebnisse liefern.

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