„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Variable Naturkonstanten?

Wenn die Physik etwas über die Natur herausgefunden hat, dann gießt sie dieses Wissen zumeist in eine oder mehrere Gleichungen, mit denen die Zusammenhänge mathematisch dargestellt werden können. Einer dieser Zusammenhänge ist das Newtonsche Gravitationsgesetz:

M und m sind die Massen zweier Körper, r ihr Abstand und F die Kraft, mit der sich die beiden Körper wechselseitig anziehen. Dabei sind die verwendeten Einheiten, in der die Größen (hier Kraft, Masse und Länge) gemessen werden, ziemlich beliebig. Zum Beispiel wurde das Meter ursprünglich als der 40millionste Teil des Erddurchmessers festgelegt, zu einer Zeit, als man noch geglaubt hat, wir würden auf einer Kugel leben. Tatsächlich hat die Erde aber mehr die Form einer Kartoffel. Wenn der Asteroid, der vor 4,5 Milliarden Jahre die Erde traf und zur Entstehung des Mondes beitrug, eine andere Größe gehabt hätte oder unter einem anderen Winkel eingeschlagen wäre, dann hätte die Erde heute eine andere Größe. Und wenn man auch dann den 40millionstel Teil des Erddurchmessers als Metermaß verwendet hätte, wäre das Meter heute anders lang.

Um diese Willkür in der Größenfestlegung zu eliminieren (denn über die Einheiten von Masse und Kraft gibt es ähnlich kuriose Geschichten), enthalten die meisten physikalischen Gleichungen Konstanten. In der obigen Gleichung ist es die Gravitationskonstante G mit dem ziemlich krummen Wert von:

Mit Hilfe des Gravitationsgesetzes kann man zum Beispiel die Bahn der Erde um die Sonne berechnen. Man misst die Massen von Erde und Sonne, man misst den Abstand zwischen Erde und Sonne, man weiß den Wert der Gravitationskonstanten, man berechnet die zwischen beiden Körpern wirkende Kraft und mit ein bisschen mehr Mathematik bekommt man die Bahn der Erde um die Sonne heraus. Woher weiß man eigentlich den Wert der Gravitationskonstanten?

Letztlich steckt hier die Vermutung dahinter, dass bei einer Variation von Größen einer Gleichung sich andere Größen in dieser Gleichung ändern, andere konstant bleiben. Also wurden diese Konstanten auch durch wiederholte Messungen bestimmt und haben sich dabei als konstant erwiesen. Mit Hilfe der physikalischen Gesetze wird nicht nur die Gegenwart beschrieben, sondern auch in Vergangenheit und Zukunft extrapoliert. Unsere Vermutungen über diese beiden Zeiten basieren darauf, dass unser in der heutigen Zeit gewonnenes Wissen auch darauf übertragbar ist – dass u.a. die Konstanten tatsächlich Konstanten sind.

Eine der Konstanten, deren Konstantheit zwischenzeitlich bezweifelt wurde, ist die sogenannte Feinstrukturkonstante. Diese Konstante nimmt schon allein deshalb eine ziemlich zentrale Rolle in der Physik ein, weil sie die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung festlegt. Das klingt zunächst ziemlich abstrakt, aber wenn man sich ihre Definition ansieht, dann bekommt man auch ohne großes physikalisches Wissen eine Ahnung von ihrer Bedeutung:

In der Gleichung werden die Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 (Informationsübertragung), die Elementarladung e (das Elektron), das Plancksche Wirkungsquantum h (Quantenphysik) und die elektrische Feldkonstante ε0 (Elektromagnetismus) verwendet. Ändert sich eine dieser ebenfalls konstanten Größen, dann ändert sich auch der Wert der Feinstrukturkonstante, und vice versa.

Es gibt immer wieder einige Beobachtungen, die an der Konstanz einiger Natur"konstanten" zweifeln lassen. So schienen Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii auf eine leichte Abnahme der Feinstrukturkonstante um etwa ein hundertstel Promille im Verlauf von zehn Milliarden Jahren hinzudeuten. Dieses Resultat war von Anfang an umstritten; zum einen wiesen Forscher auf die unsichere Fehlerabschätzung der Datenauswertung hin, zum anderen gibt es Daten aus der Oklo-Mine in Westafrika, wo vor etwa 2 Milliarden Jahren Uran so stark angehäuft war und einen so hohen Gehalt des Isotops U-235 hatte, dass eine Kernspaltungs-Kettenreaktion stattfand. Nach diesen Daten hatte die Feinstrukturkonstante damals denselben Zahlenwert wie heute. Neuere Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile widersprechen den früheren Resultaten am Keck-Teleskop und weisen auf die Konstanz der Feinstrukturkonstante hin.

Was aber wären die Konsequenzen, wenn einige Konstanten tatsächlich als nicht konstant entlarvt werden?

·        Zunächst mal sind dann alle anderen, über Gleichungen mit ihnen verbunden "Konstanten" ebenfalls nicht konstant, sondern variabel. Zum Beispiel spekuliert Ray Kurzweil über die Konsequenzen einer nichtkonstanten Lichtgeschwindigkeit: Die Lichtgeschwindigkeit überwinden. (Seine Schlussfolgerungen halte ich für falsch, denn aus der Nichtkonstantheit der Feinstrukturkonstante über lange Zeiträume folgt ja nicht, dass zu jeder gegebenen Zeit die aktuell gültige Lichtgeschwindigkeit keine obere und unüberschreitbare Grenze darstellt.)

·        Heutige Gleichungen, in denen die Konstanten als konstant gelten, sind Sonderfälle allgemeinerer Gesetze. Heutige Annahmen über weit von uns entfernte Orte oder über weit zurückliegende Zeiten sind falsch, zum Beispiel unser Modell des Urknalls.

·        Die Quantentheorie stellt noch nicht die bestmögliche Beschreibung der Materie im Kleinen dar, Lee Smolins Intuition und seine Bauchschmerzen bzgl. der Quantentheorie bestehen zu Recht: Die Quantenmechanik ist keine endgültige Theorie. (Wenn auch vielleicht aus anderen Gründen, als er denkt.)

Was mich immer wieder fasziniert, ist, wie sich die Physik selbst in Frage stellt und dadurch weiterentwickelt. Theorien geben Blaupausen für Experimente ab, deren Ergebnisse führen zur Präzisierung alter und zur Entwicklung neuer Hypothesen. Anderswo wird wider besseres Wissen an jungfräulicher Geburt festgehalten.

Gastbeitrag von: Dr. Ralf Poschmann (eigenständig aktualisiert)

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