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maßstäbe Heft 7: Die Unveränderlichen

Impressum

Herausgeber:
Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin

Redaktion: Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, PTB
Postfach 3345, 38023 Braunschweig
Telefon: (05 31) 592-30 06
E-Mail: presse(at)ptb.de

Redakteure: Jens Simon (verantwortlich), Erika Schow

Redaktionsassistenz: Cornelia Land

Druck:
FischerDruck, Peine

Alle Rechte vorbehalten. Bitte geben Sie bei einem auszugsweisen Nachdruck Quelle und Autor an und benachrichtigen Sie die Redaktion.
Braunschweig, September 2006

Vorwort

Liebe Leserin, lieber Leser,

kennen Sie das? Sie lesen eine Zeitung oder ein Buch und plötzlich springt Sie ein Satz an, von dem Sie in der Sekunde, in der Sie ihn lesen, wissen, dass Sie ihn ein Leben lang im Gedächtnis behalten werden? Vielleicht nicht wörtlich, aber doch dem Sinn nach. Mir ist letztens dieser Satz begegnet: „Jeder von uns besteht bei seinem Tod aus so vielen ständig wieder verwerteten Atomen, dass eine beträchtliche Zahl davon – nach manchen Schätzungen bis zu einer Milliarde in jedem Menschen – vermutlich einst zu Shakespeare gehörte. Jeweils eine weitere Milliarde stammt von Buddha, Dschingis Khan und Beethoven oder jeder anderen historischen Gestalt, die uns einfällt.“ Dass alles in der Welt aus Atomen besteht und ihre Anzahl also gigantisch ist, haben wir zwar schon vorher gewusst, aber diese Folgerung war dann doch verblüffend, wenn nicht schockierend, in jedem Fall „merk-würdig“.

Als universelle Legosteine hatten sich ja schon die alten Griechen die Atome gedacht – als unveränderliche Bauteile in einer veränderlichen Welt. Und lange Jahrhunderte waren sie auch das einzig Unveränderliche, von dem die Menschheit wusste, bis … – ja, bis die Physiker (wer sonst?) anfingen, Ordnung in die vielgestaltigen Phänomene der naturwissenschaftlichen Welt zu bringen. Zu dem Alphabet der Atome (das allerdings auch erst nach und nach im Detail aufgedeckt wurde) gesellte sich eine Grammatik in Form von Grundprinzipien und Naturgesetzen. Doch es geht den Physikern hier ein wenig wie der Prinzessin auf der Erbse. Mit eleganten Gleichungen können sie sich und die Welt schön einbetten, aber ein paar Dinge pieksen sie doch arg. Denn in den Gleichungen tauchen mysteriöse Zahlen auf, die immer und überall dieselben Werte zu haben scheinen.

In das Dickicht dieser Naturkonstanten wollen die maßstäbe ein wenig hineinlinsen. Es wird von Eseln und Speisekarten ebenso die Rede sein wie von kleinen Orten und großen Zeiträumen. Die berüchtigste aller Zahlen, die 137, wird, ihrer Berühmtheit angemessen, gleich mehrfach die Bühne dieser maßstäbe betreten. Folgen Sie doch einfach der 137 von einem Krankenzimmer in Zürich bis in das Zeitlabor der PTB und machen Sie vielleicht einen kleinen Abstecher zu Quasaren mit. Der Umweg beträgt nur ein paar Milliarden Lichtjahre.

Im Namen der Redaktion wünsche ich Ihnen viel Spaß beim Blättern und Lesen. Vielleicht stoßen Sie auf die eine oder andere Überraschung, die Sie gerne im Gedächtnis behalten möchten. Ich drücke uns den Daumen.

Ihr Jens Simon

Was ist für Sie absolut unveränderlich?

Fotos: Manfred Kuders/Tortugas
Fotos: Manfred Kuders/Tortugas

Was ist für Sie absolut unveränderlich? Einige Briefe mit dieser Frage haben wir auf die Reise geschickt – an Wissenschaftler verschiedener Disziplinen. Die einzige Randbedingung, die wir gestellt haben, war, das Unveränderliche in wenigen Worten zu charakterisieren, ungefähr mit einer Textlänge, die auf eine Postkarte passen würde. Es kamen zwar keine Postkarten zurück, aber stattdessen E-Mails und einige Briefe – mit diesen Antworten...

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Naturkonstanten – Nachhall des Urknalls?

Foto: jes/PTB
Foto: jes/PTB

Autor: Jens Simon
Autorin: Brigitte Röthlein

Viele Rätsel verbergen sich hinter den Naturkonstanten. Auch heute noch ist nicht geklärt, woher sie kommen und ob sie wirklich konstant sind. Wir sprachen darüber mit Hans-Joachim Queisser, dem früheren Direktor des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart. Er beschäftigt sich seit seiner Emeritierung mit grundlegenden Fragen der Physik.

maßstäbe: Herr Professor Queisser, wir haben Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Fachrichtungen gefragt: Gibt es bei Ihnen etwas Konstantes? Die meisten mussten eingestehen, dass es das in ihrer Sparte nicht gibt. Wie ist das eigentlich in der Physik?

Queisser: Es ist ein uralter Traum des Menschen, etwas greifbar zu machen, was sich nicht verändert, etwas, auf das man sich verlassen kann. Das versuchen ja letztlich auch jede Religion und Weltanschauung. Für die Menschen der Antike gab es in dieser Hinsicht nur zwei Dinge: einerseits die Mathematik, also etwa den Satz des Pythagoras oder die Berechnung des Kreises, und andererseits die Sterne. Alles andere erschien ungeeignet: der Lauf der Flüsse, die Winde oder die Erntezeiten. Warum hat man nun aber gerade in der Physik Konstanten gefunden? So einfach war das gar nicht. Zunächst fand man lange nichts wirklich Konstantes. Der erste Treffer war vielleicht die Avogadrosche Zahl, die in der PTB heute mit großem Aufwand neu bestimmt wird. Dass ein Moleines Stoffes immer die gleiche Anzahl von Atomen enthält, das war zunächst überraschend, und es ist von den Physikern erst einmal nicht so stark beachtet worden wie von den Chemikern...

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Metrologens Lieblinge

Bilder: Maß nehmen in vier Stationen: Mensch – Erde – Atom – Naturkonstanten
Bilder: Maß nehmen in vier Stationen: Mensch – Erde – Atom – Naturkonstanten

Autorin: Brigitte Röthlein

Zum Vorbild nimmt der Mensch sich gerne selbst. Aber manche von ihnen, namentlich die Metrologen, schwenken auf etwas Dauerhafteres um – auf Naturkonstanten.

„Wissenschaft: Einem ist sie die hohe, die himmlische Göttin, dem andern eine tüchtige Kuh, die ihn mit Butter versorgt“, schrieb einst Friedrich Schiller. Das gilt heute noch wie damals, und für beide Aufgaben benötigt sie eine wichtige Fähigkeit: Sie muss den Menschen Sicherheit geben. Einerseits die göttliche Sicherheit, unveränderlich und zuverlässig zu funktionieren, unter allen Umständen und unabhängig von Ort und Zeit. Andererseits eine praktische Sicherheit im Alltag, die es erst möglich macht, ihre Gesetze anzuwenden und in geldwerten Nutzen umzusetzen, etwa beim Bau von Maschinen oder beim Messen bestimmter Größen...

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Wie groß bist du?

Grafik: alb/PTB
Grafik: alb/PTB

Autorin: Anne Hardy

Klassische Messverfahren der Naturkonstanten

Seit der Mitte des 20. Jahrhunderts hat die präzise Bestimmung der Naturkonstanten sich derart rapide verbessert, dass alle Messungen aus der Zeit vor dem Zweiten Weltkrieg heute als historisch betrachtet werden. Das gesteigerte Interesse an einer theoretischen Beschreibung der Natur hat in den vergangenen Jahrzehnten zu einer Verfeinerung der Messmethoden geführt. Denn der Wert ein und derselben Naturkonstanten – ausgehend von unterschiedlichen physikalischen Phänomenen gemessen – ist ein wichtiger Test für die Konsistenz der physikalischen Theorien untereinander. Umgekehrt hängt die Genauigkeit theoretischer Vorhersagen davon ab, wie präzise die in die Berechnungen eingehenden Werte der Naturkonstanten bekannt sind.

Cavendish „wiegt“ die Erde..

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Naturkonstanten à la carte

Autor: Rainer Scharf

Die Liste der fundamentalen Naturkonstanten ist der Steckbrief unseres Universums. Eine Handvoll Zahlen und ein paar Naturgesetze sind die Quintessenz des Kosmos. Auf diesem unwandelbaren Fundament spielt sich eine oftmals zufällige Entwicklung ab, in deren Verlauf unsere Milchstraße, das Sonnensystem, die Erde und das irdische Leben entstanden sind. Während am Ende selbst die Sterne und die Galaxien vergehen, ist auf die Naturkonstanten Verlass. Sie haben überall im Kosmos und zu allen Zeiten denselben Wert, sie hängen von nichts anderem ab und sie lassen sich nicht auf andere Größen zurückführen. Diese Eigenschaften machen sie für die Naturwissenschaftler und Ingenieure so wertvoll, die bei ihrer Arbeit immer wieder die Liste der fundamentalen Naturkonstanten zu Rate ziehen...

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Naturgesetze sind keine Esel

Foto: mauritius images/age
Foto: mauritius images/age

Autor: Axel Tillemans

Die von den Physikern gesuchte Theorie von Allem soll die Anzahl nicht berechenbarer Naturkonstanten reduzieren. In einem gewissen Sinne tut sie das auch. Doch uns in unserem Universum nutzt das herzlich wenig.

Einst stand ein Esel zwischen zwei leckeren Heuhaufen. Beide Haufen waren gleich groß und der Esel war von beiden gleich weit entfernt. Der Esel überlegte, welchen der beiden Haufen er zuerst fressen sollte, aber er fand kein Argument, das mehr für den einen als für den anderen Haufen sprach. Schließlich verhungerte der Esel, weil er sich nicht entscheiden konnte. Würden sich die Naturgesetze in unserem Universum genauso verhalten wie dieser Esel aus Buridans Gleichnis, dann wären die Physiker ihrem Traum von einer „Theorie von Allem“ heute schon sehr nahe gekommen. Von dieser Theorie wird erwartet, dass sie die Zahlenwerte möglichst vieler, wenn nicht gar aller Naturkonstanten eindeutig bestimmt. Doch dummerweise sind Naturgesetze keine Esel...

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Die Zahlenspieler

Grafik: alb/PTB
Grafik: alb/PTB

Autor: Jan Oliver Löfken

Krumme Dinge sind Physikern nicht geheuer. Ihre Gleichungen sollen die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der physikalischen Welt widerspiegeln – dies möglichst symmetrisch, einfach und elegant. Doch viele dieser Gleichungen funktionieren erst mit unschönen, „krummen“ Zahlenfaktoren, den Naturkonstanten, die keine Theorie erklären kann. Wo aber eine Erklärung fehlt, wird der Physiker unruhig und macht sich so seine Gedanken: Lassen sich die Konstanten vielleicht doch irgendwie herleiten, womöglich sogar aus „schönen“ Zahlen?

„Die Naturkonstanten spiegeln zugleich unser größtes Wissen und unsere größte Ratlosigkeit wider,“ bringt der Astrophysiker John Barrow von der Universität Cambridge das Problem auf den Punkt. „Wir messen sie mit immer größerer Genauigkeit, aber wir können ihre Werte nicht erklären.“ Aber weil dies letztlich nicht befriedigend ist, versuchen es viele Physiker – halb im Spaß, halb mit verbissenem Ernst – seit langem trotzdem irgendwie hinzubiegen...

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Die "Liste"

Autorin: Dörte Saße

Grob alle vier Jahre bekommen die Herausgeber der „Reviews of Modern Physics“, einer Fachzeitschrift, die gerne längere Übersichtsartikel veröffentlicht, einen ganz besonderen Aufsatz auf den Tisch, der auch großzügige Längenvorgaben gerne missachtet: Die „Liste mit empfohlenen Werten für die fundamentalen Naturkonstanten“ – einen Aufsatz voll unglaublich detaillierter Beschreibungen einzelner physikalischer Messungen und deren Hintergründe. Aber braucht die Liste der Naturkonstanten tatsächlich einen extralangen Aufsatz zur Untermalung, wäre nicht eine reine Aufstellung der Zahlen völlig ausreichend? Keinesfalls, meint der Mathematiker Wolfgang Wöger, früherer PTB-Forscher, nachdrücklich: „Der Zweck ist, die Messungen auch in vielen Jahren noch im Detail nachvollziehen zu können. Damit sich nicht wie bei vielen alten Experimenten hinterher die Frage stellt: Was haben die sich dabei gedacht?“..

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Die K&k-Connection

Foto: mauritius images/Superstock
Foto: mauritius images/Superstock

Autorin: Andrea Hoferichter

Eis, Wasser und darüber Dampf: Die Mix-tur aus festem, flüssigem und gasförmigem Wasser heißt Tripelpunkt und kann ausschließlich bei einer Temperatur von 273,16 Kelvin beziehungsweise 0,01 Grad Celsius existieren. Diese Temperatur ist momentan noch die Basis für die Definition der Temperatureinheit Kelvin. Sie kann jedoch leicht schwanken, wenn das Wasser verunreinigt ist oder wenn es Isotope – also Atome eines Elements aber unterschiedlicher Kernmasse, in ungewöhnlichen Mengen enthält. Metrologen wollen das Kelvin deshalb über den unumstößlichen Zahlenwert einer Naturkonstanten festlegen. Wissenschaftler der PTB in Berlin feilen zurzeit an der Messung dieser Konstanten.

Ein Februartag in Berlin-Charlottenburg, vor dem sandgelb gestrichenen Backsteinbau der PTB. Die Temperatur wassertripelpunktsverdächtig. Drinnen, im Büro von Bernd Fellmuth, Leiter der Arbeitsgruppe „Tieftemperaturmetrologie“ der PTB, ist es um gefühlte 20 Grad wärmer. Fellmuth, weißhaarig mit Bart und Lesebrille, erklärt in waschechter Berliner Mundart, es sei die sogenannte Boltzmann-Konstante, ...

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Atome hinter Gittern

In einem Kristall haben die Atome keine Wahl – ihnen sind genaue Plätze zugewiesen. Im Fall von Silizium ist die Grundeinheit dieser Gitterstruktur ein Kubus mit acht Atomen in den Ecken, sechs in der Mitte der Seitenflächen und vier auf den Raumdiagonalen im Inneren.Grafik: alb/PTB
In einem Kristall haben die Atome keine Wahl – ihnen sind genaue Plätze zugewiesen. Im Fall von Silizium ist die Grundeinheit dieser Gitterstruktur ein Kubus mit acht Atomen in den Ecken, sechs in der Mitte der Seitenflächen und vier auf den Raumdiagonalen im Inneren.
Grafik: alb/PTB

Autorin: Brigitte Röthlein

Irgendwann waren Fragen dieser Art für uns eine Herausforderung: „Wie viele Kühe stehen da auf der Weide?“ Und wir haben geantwortet: „Drei!“ „Wie viele Bauklötzchen liegen auf dem Fußboden?“ Nach kurzem Nachzählen: „14!“ Aber bald schlief das Zählinteresse ein, spätestens als wir das Prinzip verstanden hatten. Bei den meisten währt dieser Schlaf dann ein Leben lang. Nicht jedoch, wenn man Peter Becker oder Arnold Nicolaus heißt, in der PTB arbeitet und folgende Aufgabe bekommen hat: „Zählt doch mal eben nach, wie viele Atome in einem Mol Silizium stecken.“ Eine echte Zähl-Herausforderung. Schließlich stecken mehr Atome in einem Mol, als es Sterne im Universum gibt. Eine Aufgabe also, die locker ein ganzes, hellwaches Wissenschaftlerleben ausfüllen kann.

Im Labor im Erdgeschoss des Friedrich-Paschen-Baus der PTB in Braunschweig befindet sich der wahrscheinlich kugeligste und sauberste Gegenstand der Erde. Es handelt sich um eine knapp zehn Zentimeter dicke Siliziumkugel, die in etwa ein Kilogramm wiegt. Arnold Nicolaus hat sie nach einer genau vorgeschriebenen Prozedur abgewischt, gewaschen und getrocknet. Das war nötig, weil es hier um millionstel Millimeter geht. Und ein Fingerabdruck auf der Kugel wäre um ein Vielfaches höher. Mühsam ist die Reinigung, aber danach liegt das Objekt blitzblank in einer Vakuumkammer, wo es extrem genau ausgemessen werden soll. Zunächst allerdings muss es sich der Umgebungstemperatur von exakt 20 Grad Celsius anpassen. Das dauert wieder ein paar Stunden...

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Im Räderwerk der Quantennormale

Foto: TH-Foto-Werbung/SPL/AgenturFocus
Foto: TH-Foto-Werbung/SPL/AgenturFocus

Autor: Frank Frick

Das Ampere, das Kilogramm und das Mol wird es weiter geben, aber man wird darunter wohl schon in wenigen Jahren etwas anderes verstehen als heute. Die Experten des „Internationalen Komitees für Maß und Gewicht“ sind sich einig, dass diese Basiseinheiten künftig direkt mit Naturkonstanten verknüpft sein sollen. Auf welche Weise allerdings genau – an dieser Frage erhitzen sich die Gemüter

Wir schreiben das Jahr 500 v. Chr.: Händler im Mittleren Osten wiegen Edelsteine mit Samen des Johannisbrotbaums auf. Denn sie wissen: Alle Samen sind nahezu gleich schwer. Betrug ist kaum möglich, denn jede Manipulation an den harten Kernen ist leicht erkennbar. Außerdem lässt sich die Messung mit eigenen Exemplaren der überall verfügbaren Pflanzensamen überprüfen. „Somit hatten schon die Menschen in der Antike die Idee, für Messungen eine Art Naturkonstante zu nutzen“, schmunzelt Franz Josef Ahlers. Der Leiter des Fachbereichs „Elektrische Quantenmetrologie“ hat die historische Wägung mit Johannisbrot-Samen schon einmal nachgestellt, um an einem Tag der offenen Tür den Besuchern der PTB einen ersten Zugang zu seiner wissenschaftlichen Arbeit zu verschaffen. „Was das Gewicht der Johannisbrot-Samen für die Händler war, ist für uns die Ladung eines Elektrons. Statt des Gewichts einer wertvollen Ware möchten wir mit der Naturkonstante „Elementarladung“ allerdings die Stärke eines Stroms messen“, erläutert Ahlers..

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Meine Abenteuer als Fremde-Welten-Kundler

Meine Abenteuer als Fremde-Welten-Kundler

Foto: okerland-archiv
Foto: okerland-archiv

Autorin: Julia Förster

Teil eins: Die Prüfung

Ich stand in der Prüfungsmaschine. Der Raum war abgedunkelt und leer. Für Zuschauer war es einfach zu gefährlich; es war natürlich auch für mich gefährlich. Aber ich war ja der Prüfling.

Früher sollen Abschlussprüfungen recht harmlos gewesen sein. Man konnte durchfallen. Mehr passierte nicht. Bei uns ging es um alles. Im vergangenen Jahr hatte die Maschine n-dimensionale Prüfungsräume geschaffen, und ein paar Prüflinge hatten nicht in die vierdimensionale Raumzeit zurückgefunden...

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Mensch im Glück

Foto: Yann Arthus-Bertrand/Altitude
Foto: Yann Arthus-Bertrand/Altitude

Autor: Jens Simon

Die Katastrophe lauerte gleich hinter der nächsten Ecke. Sie wäre, hätte sie sich hervorgewagt, vollständig gewesen. Aber die Welt und mit ihr die Menschheit hatte unwahrscheinliches Glück. In der Geburtsstunde des Kosmos fügten sich die Dinge – niemand weiß, warum – auf eine einzigartige Weise und alles nahm seinen Lauf: Energie wandelte sich in Materie; aus ersten Materieteilchen bildeten sich Verklumpungen; irgendwann entstanden Sonnen, die in ihrem Inneren schwere Elemente zusammenkochten; Sterne explodierten und schleuderten ihre Fracht ins All; die umherfliegenden Bruchstücke sammelten sich zu Staubwolken und Planeten; einer dieser Planeten fand seine Bahn in kommoder Entfernung zu einem Zwergstern mittlerer Klasse; Wasser und eine Sauerstoff-Stickstoff-Atmosphäre machten den Planeten zu einem blauen; Leben entwickelte sich und kroch irgendwann an Land; und heute, 13,7 Milliarden Jahre nach dem Urknall, steht homo sapiens sapiens da, schaut ins Weltall und wundert sich...

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Der Strichcode der Quasare

Autorin: Ute Kehse

Die Feinstrukturkonstante Alpha ist der Topkandidat bei der Suche nach veränderlichen Naturkonstanten. Kernphysiker fahnden in einem einst aktiven natürlichen Reaktor, Astronomen im Licht weit entfernter Galaxien nach Belegen dafür, dass sich Alpha geändert hat und somit vor Urzeiten die Atome anders aufgebaut waren.

Alpha ist keine schöne Zahl: 0,007 297 352 568 oder ungefähr 1/137. Solche krummen Werte lassen das Herz eines Physikers nicht gerade höher schlagen. Und doch: Bei den Theoretikern ist die Feinstrukturkonstante äußerst beliebt: Sie sei eine „magische Zahl“, schrieb zum Beispiel der Nobelpreisträger Richard Feynman. Auch für den Kosmologen John Barrow von der Universität Cambridge hat sie einen „legendären Status“. Kein Wunder: Von Alpha – genauer gesagt, von Alphas Unveränderlichkeit – hängt nichts weniger als das Schicksal der Physik ab. Sollte Alpha sich als veränderlich erweisen, dann wäre das unter anderem ein Hinweis für eine Physik jenseits des Standardmodells, mit einem Universum mit mehr als vier Dimensionen. Aber es wäre noch viel mehr: Das ganze Weltbild der Physiker würde ins Wanken geraten. Was bisher als unveränderlich gegolten hat, ist es vielleicht gar nicht – eine atemberaubende Vorstellung. „Es geht nur um winzige Abweichungen“, erklärt der Hamburger Astrophysiker Dieter Reimers. „Doch jede noch so kleine Veränderung von Alpha wäre eine Sensation.“..

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Unser Wissen von der Welt ist vorläufig

Foto: okerland-archiv
Foto: okerland-archiv

Autorin: Birgit Ehlbeck

Ein kurzer Besuch bei Ekkehard Peik

Ich vergesse immer wieder, dass unsere Welt aus Atomen besteht. Die kraftvollen weißen Magnolienblüten: Atome, das Vanilleeis im Waffelhörnchen: Atome, der Eiswagen, der Eisverkäufer, der heute wolkenlose Himmel, der wunderbar grüne Rasen, meine Karodecke, meine Sandalen, das Sommerkleid, die spielenden Kinder, ihre Roller, Dreiräder, Fussbälle und Zopfspangen: alles Atome; ebenso meine Zeitung und das laue Lüftchen, das bei diesem strahlendem Sonnenschein weht und nach Flieder, Lavendel und von weither nach Autoabgasen riecht. Was für ein plötzlich seltsamer Blick auf den Weltbaukasten!

Eine Ahnung von Ewigkeit kann einen da beschleichen. Und sie beschleicht mich auch an diesem wunderbar sonnigen Nachmittag. Okay, haltet sie an, die Welt, jetzt! – Wie immer passiert nichts. Munter wirbeln die Atome herum, gruppieren sich zu Magnolienblüten und allem anderen in dieser Welt. Ein paar trudeln gerade als verblühtes Blütenblatt auf meine Decke.

Wie ich zu dieser Vorstellung komme? Ich habe Herrn Peik getroffen...

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