Gesundheit : Physik: Laborzwerge

Thomas de Padova

Die Natur zeigt sich im ganz Großen und im ganz Kleinen oft von derselben Seite. In den Extrema treten die physikalischen Grundkräfte, die überall am Werke sind, besonders deutlich zutage. Was Forscher zum Beispiel in den vergangenen Jahren mit winzigen Atomhäufchen, den Bose-Einstein-Kondensaten, angestellt haben, erinnert an kosmische Materiezusammenballungen: an plötzlich aufblitzende Sternexplosionen und kompakte Weiße Zwergsterne. Manche Physiker hegen sogar die Hoffnung, die Eigenschaften alles verschluckender Schwarzer Löcher künftig auf dem Labortisch studieren zu können.

Ein Bose-Einstein-Kondensat hat allerdings auf den ersten Blick wenig mit heißblütigen Sternen gemein. Es ist, im Gegenteil, ein extrem kaltes Gas. Seit Carl Wieman und Eric Cornell von der Universität von Colorado erstmals einen solch exotischen Materiezustand hervorgebracht haben, folgen ihnen Physiker aus aller Welt auf den experimentellen Spuren. Die Herausforderung ist groß. Wieman und Cornell kühlten Rubidium-Atome im Ultrahochvakuum auf eine Temperatur ab, die nur 20 milliardstel Grad über dem absoluten Kältepunkt von minus 273 Grad Celsius lag. Das erreichten sie mit Hilfe verschiedener, ausgefeilter Kühltechniken.

Bei so tiefen Temperaturen offenbaren dicht zusammengepackte Atome Charakterzüge, die im Alltag nicht sonderlich auffallen. Manche Atome (Fermionen) bleiben weiterhin Individualisten. Die Rubidium-Atome dagegen gehören zu einer zweiten, eher geselligen Spezies (Bosonen). Sie gehen in der Masse unter. Die meisten nehmen plötzlich den tiefstmöglichen Energiezustand an. Die Atome unterscheiden sich dann durch nichts mehr von ihren Nachbarn. Sie bewegen sich miteinander im Gleichtakt. Ein solches Verhalten hatten die Physiker Satyendra Nath Bose und Albert Einstein bereits Anfang der 20er Jahre vorausgesagt - der Nachweis erfolgte erst 1995.

Bose-Einstein-Kondensate sind reine Laborgewächse. Nirgends im Kosmos ist es wohl kalt genug, dass die Atome derart zusammenrücken - auch nicht im interstellaren Raum, wie der Physiker Philip Ball jetzt im Wissenschaftsmagazin "Nature" (Bd. 411, S. 628) ausführt. Trotzdem hoffen Physiker mit Hilfe der Kondensate nicht nur Atomlaser zu erzeugen, sondern auch astronomische Phänomene simulieren zu können. Dabei profitieren die Forscher von dem Umstand, dass sie die Atomhäufchen direkt mit einer Kamera beobachten können.

Supernova

Randall Hulet und seine Kollegen von der Rice Universität in Houston in den USA verfolgten so erstmals, wie ein Bose-Einstein-Kondensat, kurz nachdem es entstanden war, in sich zusammenstürzte. Das war kein Einzelfall. In späteren Experimenten manipulierten die Wissenschaftler die Atome derart, dass ein Teil von ihnen nach einem solchen Kollaps schlagartig wieder auseinander flog. Mal sprengten die Atome in alle Richtungen ab, mal flogen sie in feinen Strahlen davon, die von den Physikern als Jets bezeichnet werden.

Expandierende Hüllen und Jets sind Forschern bereits von Sternexplosionen her bekannt, den Supernovae. Sie sind am Himmel über sehr große Distanzen zu sehen. Der Stern strahlt dabei innerhalb kurzer Zeit noch einmal so viel Energie ab wie zuvor in seinem ganzen Leben. Und während sich die leuchtende Gashülle oder die Jets weit ins All hinaus ausbreiten, bleibt ein zusammengeschrumpfter Sternenrest zurück.

Dasselbe beobachten Wissenschaftler nun in Miniatur. Der Vergleich mit dem sterbenden Stern hat dem Atomhäufchen die Bezeichnung "Bosenova" eingebracht. Doch die Vorgänge im Bose-Einstein-Kondensat sind diffiziler als kosmische Explosionen.

"Die Atome können im Kondensat ganz lose gebundene Moleküle bilden", sagt Theodor W. Hänsch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. "Aber ob solche Moleküle entstehen, hängt von den Energieniveaus der Atome ab." Und die lassen sich mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes steuern. Unter dessen Einfluss kann aus der anziehenden Kraft zwischen den Atomen eine abstoßende werden. Daher beginnen die Atombällchen mitunter zu pulsieren.

Hänsch und sein Forscherteam haben nun nach vielen Experimenten mit Bose-Einstein-Kondensaten eine winzige magnetische Falle konstruiert, nicht größer als ein Radiergummi. Darin verwandelten sie in der vergangenen Woche erstmals ein Gas aus Rubidium-Atomen in kürzester Zeit in den exotischen Materieverbund. Aber nicht, um Astrophysik zu betreiben. Die Entstehung der Jets sei derzeit "noch völlig unverstanden", sagt Hänsch. Und mehr als eine vage Analogie zu kosmischen Erscheinungen sieht er in den Experimenten nicht.

Weißer Zwerg

Peter Zoller von der Universität Innsbruck und einige andere Forscher sind da optimistischer. Sie verweisen zum Beispiel auf ein Gasgemisch, das Randall Hulet kürzlich in seinem Labor in Houston erzeugt hat. Es bestand aus zwei Sorten von Lithium-Atomen: Lithium-6 und das lediglich um ein Neutron schwerere Lithium-7. Dieser feine Unterschied macht die Atome zu Mitgliedern zweier getrennter Familien: Die Lithium-7-Atome verdichteten sich nur wenige milliardstel Grad über dem absoluten Kältepunkt zu einem Bose-Einstein-Kondensat. Die Lithium-6-Atome dagegen ließen sich nicht alle auf das niedrigste Energieniveau zwängen. Die Individualisten widersetzten sich weiterem Druck.

Dieser Widerstand der Fermionen kann nicht nur den Kollaps eines kleinen Gasgemisches aufhalten. Ein ganzer Stern wird dadurch davor bewahrt, unter seinem eigenen Gewicht in sich zusammenzufallen, wenn er seinen Brennstoff im Innern aufgebraucht hat. Auch unsere Sonne wird eines Tages auf diese Weise zur Ruhe kommen, vermuten Forscher. Sie wird nach der Kontraktion nicht mehr größer sein als die Erde, langsam abkühlen und als unscheinbarer Weißer Zwerg durch die Milchstraße irren.

Schwarzes Loch

Peter Zoller will anhand von Bose-Einstein-Kondensaten sogar Schwarze Löcher studieren. Solche Gebilde entstehen, wenn ein sehr viel größerer Stern als unsere Sonne in sich zusammenstürzt. Nichts, auch nicht der Widerstand der Fermionen, kann diesen Kollaps nach heutigem Wissen bremsen.

Zoller möchte sich zunutze machen, dass man zum Beispiel mit einem Laserstrahl wie mit einem Schaufelrad in dem Kondensat herumrühren kann. Das Gas verwirbelt. Rotiert es nur schnell genug, dann müsste der Schall, letztlich sogar das Licht darin gefangen bleiben, vermutet Zoller - ähnlich wie in einem superdichten Schwarzen Loch. Aber bis sich die Labor-Astrophysik mit solchen Experimenten etabliert, dürfte noch einige Zeit vergehen.

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