Kosmos - Quanten - Zeitreise.: Die 50 spannendsten neuen Erkenntnisse.

Von Matthias Gräbner

Der Physiker und Wissenschaftsjournalist Matthias Gräbner erklärt die 50 spannendsten Erkenntnisse, die in den vergangenen drei Jahren die gewohnte Schulphysik zum Staunen gebracht haben. Eine faszinierende Reise zwischen Makrokosmos und Quantenreich.

Wussten Sie etwa schon, dass sich Zeitreisen auch ohne Paradoxa absolvieren lassen? Wo beginnt die Große Barriere des Kerns unserer Galaxis? Lebt Schrödingers Katze noch immer? Wer hat das Sonnensystem plattgedrückt? Und wie unrecht hatte Einstein? Die 50 neuen Erkenntnisse, die Gräbner im Rahmen seiner Tätigkeit für das Magazin Telepolis in den Veröffentlichungen der Forscher ausgegraben hat, haben großes Faszinations-Potenzial.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: epubli
• Erscheinungsdatum: 27. Juli 2011
• ISBN: 9783844207859

Buchvorschau

Vorbemerkung

Liebe Leserin, lieber Leser,

Ob im riesigen Kosmos oder der winzigen Quantenwelt - die Natur hält spannende Phänomene bereit, von denen die Forscher selbst vor zehn Jahren nichts ahnten. Mein Physikdiplom ist nun zwanzig Jahre alt, und es überrascht mich immer wieder, wieviel sich in dieser doch recht kurzen Zeit in der Wissenschaft getan hat. 

Für mich selbst und für die Leser von Telepolis beschreibe ich regelmäßig in hoffentlich verständlichen Ton, was ich in der neuesten Fachliteratur finde. Ich lade sie hiermit auf eine Reise zu faszinierenden Entdeckungen ein, die in aktuellen Schulbüchern noch keinen Platz fanden. Ich hoffe, sie haben dabei ebensoviel Spaß wie ich beim Schreiben.

Einladung zur Wissensreise: Bitte studieren Sie dieses Buch nicht stur von vorn nach hinten. Werfen Sie einen Blick auf das Inhaltsverzeichnis, springen Sie zu den Texten, die Sie interessieren. Benutzen Sie die Referenzlinks, lassen Sie sich ablenken. Treiben Sie, wohin Sie wollen - Neues zu lernen, soll bitte keine Arbeit sein. Wir treffen uns bestimmt irgendwann wieder.

Matthias Gräbner

1. Die Form des Elektrons

Hat das Elektron Dellen in seiner Gestalt? Die Antwort könnte die Struktur des Universums bestimmen.

Es hätte so schön einfach sein können: Das Elektron ist auf den ersten Blick eins der letzten echten Elementarteilchen, wie es von den Physikern im vergangenen Jahrtausend gesucht wurde. Es zerfällt nicht, besitzt keine innere Struktur und ist gar so klein, dass es mit Fug und Recht als Punkt behandelt werden kann. Doch wie so oft, steckt der Teufel im Detail. Denn welcher Punkt kann schon eine Ausrichtung für sich beanspruchen, mit der er in eine beliebige Raum-Richtung zeigen kann? So lässt sich jedenfalls der Spin (1/2) des Elektrons interpretieren. Aus den Wechselwirkungen des Teilchens mit anderer Materie ergibt sich zudem, dass das Elektron durchaus eine Gestalt haben muss, die von asphärischer Natur ist: rotationssymmetrisch, wobei die Form nicht Ausschnitt einer Kugeloberfläche ist.

Diese Gestalt, so die Theorie, hat eventuell ein paar Dellen. Und zwar genau dann, wenn das Elektron ein elektrisches Dipolmoment besitzt. Die Existenz seines magnetischen Dipolmoments ist unbestritten: Mit Hilfe eines Magnetfelds kann man Elektronen deshalb in Bewegung setzen. Aber kann auch ein elektrisches Feld ein Elektron in Rotation versetzen? Die Frage scheint irrelevant, wo doch der Elementarladungsträger so winzig ist. Die Antwort entscheidet aber so ganz nebenbei, welche Struktur das Universum hat.

Die Astrophysiker wären vermutlich froh, wenn sich tatsächlich ein elektrisches Dipolmoment fände. Denn es würde zum Beispiel erklären, warum das Universum so aufgebaut ist, wie wir es tagtäglich beobachten: Aus jeder Menge Materie und verschwindend wenig Antimaterie. Diese Asymmetrie passt nicht ins System, es gibt nichts, was gewöhnliche Materie vor Antimaterie auszeichnet. Wären allerdings all die Teilchen, die wir kennen, nur ein Teil einer viel größeren Gesamtheit, könnten sich neue Erklärungen für das Ungleichgewicht ergeben. Diese Teilchen, so vermutet man, warten im unendlichen Pool des Kosmos auf ihre Existenz. Sie tauchen auf und verschwinden wieder, ohne dass wir genug Zeit haben, sie zu beobachten. Da diese virtuellen Teichen, so die Idee, sehr massereich sind, genügen unsere Teilchenbeschleuniger bei weitem nicht, um in ihre Bereiche vorzustoßen.

Hier kommen die Elektronen ins Spiel. Die virtuellen Teilchen können wir zwar nicht direkt beobachten, wohl aber ihre Wechselwirkungen. Bei den Elektronen müssten sich diese Wechselwirkungen in der Existenz des elektrischen Dipolmoments äußern. Die virtuellen (und hypothetischen) Teilchen verleihen den Elektronen ihr Dipolmoment. Könnte man zeigen, dass es Realität ist, hätte man einen Beweis auch für den Rest der Theorie. Den großen Rest der Physikergemeinde würde eine solche Entdeckung aber in Probleme stürzen. Denn mit dem gegenwärtigen Standardmodell der Physik ist sie nicht kompatibel, wir bräuchten eine neue Physik.

Wie es aussieht, können die Physiker aber erst einmal aufatmen. Ein britisches Forscherteam berichtet im Wissenschaftsmagazin Nature, dass das elektrische Dipolmoment zumindest kleiner sein muss, als man erhofft hatte. Dieser Nachweis war gar nicht so trivial. Denn um eine sehr schwache Wirkung eines elektrischen Felds auf ein Elektron zu testen, müsste man das Teilchen einem möglichst starken Feld aussetzen. Die Wirkung eines elektrischen Felds auf ein Elektron ist allerdings bekannt: Die Teilchen flitzen, wie der US-Physiker Aaron Leanhardt in einem begleitenden Kommentar in Nature schreibt, wie von Sinnen auf die nächstbeste Wand zu. Ein Effekt, der sich sehr schön zur Erzeugung von Röntgenstrahlung nutzen lässt, aber beim Experimentieren sehr hinderlich ist. Um ihre Testobjekte festzuhalten, nutzen die britischen Forscher deshalb die Tatsache, dass sie in Atomen und besonders Molekülen relativ stabile Orbitale einnehmen. Äußere elektrische Felder polarisieren Atome oder Moleküle zunächst. Im konkreten Fall kam Ytterbium-Fluorid zum Einsatz (YbF). Im Vergleich zu früheren Experimenten gelang es den Forschern damit, die Nachweisgrenze für das elektrische Dipolmoment um den Faktor 1,5 zu verringern. Es ergibt sich ein Maximalwert von 10,5 x 10(-28)*e Zentimetern (e = Elementarladung) - das sind 16 Größenordnungen weniger als beim magnetischen Dipolmoment. Die Forscher rechnen allerdings damit, dass mit diesem Experiment-Design noch eine Verbesserung um einen Faktor von bis zu 100 möglich ist. Insofern ist die Entwarnung für die heutige Physik womöglich nur temporär.

2. „Lonely Planets"

Astronomen entdecken eine neue Art von Planeten: Einsame Wanderer, die fernab von jeder Sonne ihre Bahn ziehen. Es scheint sogar, als gäbe es von dieser Sorte eine ganze Menge.

Dass Himmelsforscher neue Planeten ausfindig machen, ist fast schon alltäglich geworden. Seit 1995 hat man über 500 Exoplaneten gefunden. In dem Maße, wie die Suchmethoden von Jahr zu Jahr verfeinert wurden, ist auch die Nachweisgrenze gesunken: Heute ist man längst auf der Jagd nach möglichst erdähnlichen Himmelkörpern, die Modell für das Sonnensystem stehen könnten. Dabei kann man sich sehr selten auf die Direktbeobachtung verlassen. Bei der Suche kommt deshalb eine Auswahl verschiedenster Technologien zum Einsatz, die jeweils auf eine bestimmte Eigenschaft des Objekts und seines Sternsystems abzielen.

Da gibt es zunächst die so genannte Radialgeschwindigkeitsmethode. Sie beruht auf der Tatsache, dass selbst ein recht kleines Objekt - der Planet - über seine Gravitation auf seinen riesigen Nachbarn - den Stern - wirkt. Es genügt, das größere Objekt zu beobachten, um aus dessen Bahn-Verzerrung auf den kleinen Begleiter zu schließen. Die Wankel-Bahn erkennt man an einer Dopplerverschiebung des Sternen-Spektrums, die sich auch von der Erde aus detektieren lässt. Je ähnlicher sich beide Objekte, das sichtbare und das unsichtbare, sind, umso besser funktioniert diese Methode. Bei kleinen Sternen (dazu gehört auch die Sonne) findet man so auch erdähnliche Planeten.

Die Transitmethode, der man derzeit die besten Chancen zur Entdeckung wirklich kleiner Planeten zutraut, beruht auf einem Prinzip, das Menschen schon seit Jahrmillionen am Himmel beobachten können: Der Abdunkelung eines Objekts durch ein anderes, wie es Mond, erde und Sonne regelmäßig praktizieren. Diese Abdunkelung sehen wir natürlich nur, wenn wir von der Seite auf die Bahnebene des abdeckenden Objekts blicken. Aber dank der vielen Sterne im Weltall muss man eben nur mehr Beobachtungen anstellen, um irgendwann auf diese Weise einen Fund zu machen.

Ähnliches gilt für die Methode des Microlensing. Der Name erklärt das Prinzip eigentlich schon recht gut: Es beruht darauf, dass die Gravitation eines schweren Objekts als Linse für die Strahlung eines anderen Objekts in dessen Hintergrund dienen kann. Wer eine Fotokamera besitzt, weiß jedoch, dass ein durch eine Linse beobachtetes Motiv nicht automatisch scharf aussieht: Man muss Motiv, Linse und Sensor in dieselbe Ebene und in die richtige Entfernung bringen. Und so wird nur einer von einer Million Sternen der zentralen Milchstraße zu einem bestimmten Zeitpunkt durch ein solches Zusammentreffen glücklicher Ereignisse vergrößert, wie der Astronom Joachim Wambsganss in einem Beitrag im Wissenschaftsmagazin Nature schreibt. Und selbst wenn jeder dieser Sterne einen jupitergroßen Begleiter hätte, könnte man wegen unpassender geometrischer Verhältnisse nur ein Prozent dieser Planeten tatsächlich entdecken. Da Astronomen nun einmal nicht an ihren Linsen, den Sternen, drehen können, bleibt Ihnen nur übrig, eben ganz oft hinzusehen und auf ihr Glück zu vertrauen.

Genau damit sind seit ein paar Jahren zwei internationale Forscherteams befasst. Denn das Microlensing-Verfahren bietet zwei Vorteile: Es verschafft einen guten statistischen Überblick über die Bestandteile des Universums, und es ist auch geeignet, recht kleine Planeten zu lokalisieren. In Nature berichten (http://dx.doi.org/10.1038/nature10092) die Forscher nun von den Ergebnissen ihrer Arbeit. Dem MOA-Team (Microlensing Observations in Astrophysics) etwa ist es gelungen, 50 Millionen Sterne der Milchstraße über zwei Jahre hinweg mindestens einmal pro Stunde zu überprüfen. Dabei entdeckten die Forscher gerade einmal 474 Microlensing-Ereignisse, von denen zehn kürzer als zwei Tage zu beobachten waren.

Je kürzer das Event, desto kleiner die Linse - bei weniger als zwei Tagen gehen die Forscher davon aus, dass die Linsen Planeten-, nicht Sternenmasse hatten. Die Wissenschaftler verglichen ihre Daten mit denen des OGLE-Teams (Optical Gravitational Lensing Experiment) - sieben der Ereignisse waren bei OGLE ebenfalls aufgefallen. Da sich auch über acht Jahre keine Periodizität zeigte, gehen die Forscher davon aus, dass es sich um mindestens sehr weit von ihren Gaststernen entfernte Planeten handeln muss - vermutlich auch um solche, die ganz allein durch das All wandern. Interessant ist aber auch die statistische Analyse: Sie zeigt, dass solche Planeten weit häufiger sein müssen, als man bisher annahm. Es sollten in der Milchstraße sogar mehr davon existieren, als es Sterne der Hauptreihe gibt.

Wie sind die einsamen Wanderer zu ihrer Reise aufgebrochen? Die Forscher vermuten, dass es sich um die Ergebnisse kosmischen Billards handeln könnte. In Systemen