Logo PTB
Symbolbild "Zeitschriften"

Sind Naturkonstanten wirklich konstant?

Die Diskussion über mögliche Variationen von Naturkonstanten war in den letzten Jahren sehr angeregt, da astrophysikalische Beobachtungen auf eine signifikante Änderung der Feinstrukturkonstanten a vor etwa fünf bis zehn Milliarden Jahren hinzuweisen scheinen. Die PTB hat eine mögliche zeitliche Änderung von a aufzuspüren versucht und dazu über einen Zeitraum von drei Jahren verschiedene atomare Frequenzen miteinander verglichen. Das Ergebnis: Eine gegenwärtige zeitliche Änderung von a kann bis auf eine Grenze von 2 · 10–15 pro Jahr (relative Änderung) ausgeschlossen werden.

Das Diagramm zeigt die Ergebnisse der optischen Freuqenzmessungen von Übergängen an Yb- und Hg-Ionen und am H-Atom (mit ihren jeweiligen 1-s-Unsicherheiten). Aufgetragen ist die relative Änderung der Rydbergfrequenz gegen die relative Änderung der Feinstrukturkonstanten. Da der Nullpunkt des Diagramms, in dem Ry und a streng konstant sind, sich innerhalb des kombinierten „Unsicherheitsbereichs“ (zentrale Ellipse) befindet, kann das Messergebnis keine Variation von Ry und a feststellen.

Das Postulat der Konstanz von fundamentalen Größen – wie etwa der Lichtgeschwindigkeit – ist grundlegend für unser physikalisches Weltbild, damit auch entscheidend für die Metrologie und sollte experimentell verifizierbar sein. Neue theoretische Modelle einer einheitlichen Beschreibung der physikalischen Wechselwirkungen lassen Variationen dieser Größen nämlich durchaus zu oder lassen sie sogar als unabdingbar erscheinen.

Der wichtigste Testfall ist die Feinstrukturkonstante a, eine aus der Lichtgeschwindigkeit, der Elementarladung und der Planck-Konstanten zusammengesetzte, einheitenlose Zahl, die bei vielen elektrischen und atomaren Phänomenen auftritt. Durch den Vergleich von Atomuhren, die auf unterschiedlichen atomaren Übergangsfrequenzen basieren, kann ein empfindlicher Test durchgeführt werden: Würde a sich mit der Zeit ändern, so würden diese Uhren in ihrem Gang mehr und mehr voneinander abweichen, da a jede atomare Übergangsfrequenz auf spezifische Weise beeinflusst.

In der PTB wurde ein optisches Frequenznormal auf der Basis eines gespeicherten Ytterbium-Ions im Abstand von drei Jahren zweimal mit der primären Caesium-Uhr CSF1 („Springbrunnenuhr“) verglichen. Im Rahmen der kombinierten Unsicherheit stimmten beide Ergebnisse gut überein; die Frequenz des optischen Normals hat sich relativ zur Caesiumuhr nicht verändert. Ähnliche Resultate wurden im Zeitraum 1999 bis 2003 auch im amerikanischen Metrologie-Institut NIST in Boulder mit der optischen Frequenz eines gespeicherten Quecksilber-Ions und in einer Kooperation des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching mit dem französischen Metrologie-Institut BNM-SYRTE (Paris) bei der Untersuchung atomaren Wasserstoffs gewonnen.

Die Kombination dieser Ergebnisse erlaubt es, eine eindeutige Aussage über die Konstanz von a zu treffen. Sollte es dynamische Entwicklungen der Konstanten in der Frühzeit des Universums gege-ben haben, so sind diese in unserer Zeit offensichtlich soweit abgeklungen, dass sie mit heutiger Messpräzision nicht nachweisbar sind.

Ansprechpartner:

Telefon: +49-531-592-0