Neuere physikalische Theorien wie die Stringtheorie gehen davon aus, dass unser Universum aus mehr als den für uns wahrnehmbaren drei Raumdimensionen besteht. Ephraim Fischbach und Dennis Krause von der Purdue University glauben, dass zukünftige Miniaturmaschinen die Existenz dieser zusätzlichen Dimensionen zu spüren bekommen. Die beiden Physiker bereiten derzeit ein Experiment vor, das die zusätzlichen Raumdimensionen nachweisen könnte. In der Fachzeitschrift Physical Review Letters (Bd. 89, Nr. 19, 190406) beschreiben sie, wie sie einen möglichen Störfaktor ? den Casimir-Effekt ? ausschalten wollen.
Die Teile winziger Maschinen können auf sehr merkwürdige Weise aneinander haften, erklärt Fischbach. “Sie können nicht einfach eine Miniaturausgabe ihres Automotors bauen und erwarten, dass sie funktioniert. Wenn sich bewegliche Teile von Miniaturmaschinen nahe kommen, passieren eine Menge merkwürdiger Dinge. Um die Nanotechnologie anwendungsreif zu machen, müssen wir die physikalischen Gesetze verstehen, die bei solch kleinen Abständen eine Rolle spielen.”
Zum Nachweis der zusätzlichen Raumdimensionen planen Fischbach und Krause ein Experiment, bei dem die Kraft gemessen werden soll, die zwei Metallplatten aufeinander ausüben, die sich in sehr geringem Abstand ? im Tausendstel Millimeterbereich ? gegenüberstehen. Einige Varianten der Stringtheorie gehen davon aus, dass sich die vermuteten zusätzlichen Dimensionen bei diesen Abständen “aufrollen”: Bei kleineren Abständen hat der Raum vier oder sogar noch mehr Dimensionen, bei größeren Abständen spielen die zusätzlichen Dimensionen keine Rolle. Zudem sollen sie nur für die Schwerkraft spürbar sein, indem sie bei kleinen Abständen Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz verursachen. Die anderen drei physikalischen Grundkräfte existieren ausschließlich in unserer dreidimensionalen Welt.
Folglich kommt es den beiden Physikern in erster Linie auf die Messung der Gravitationskraft an, mit der sich die beiden Platten anziehen. Allerdings gibt es einen starken Störfaktor, nämlich den Casimir-Effekt, der die beiden Platten ebenfalls aufeinander zuzieht. Der Casimir-Effekt wird durch virtuelle Photonen erzeugt, die fortlaufend im Vakuum entstehen und sich wieder vernichten. “Virtuell” bedeutet, dass diese Photonen aufgrund “geborgter” Energie nur kurzfristig existieren, was ihnen die Quantenmechanik erlaubt.
Diesen Photonen sind elektromagnetische Wellen zugeordnet. Normalerweise entstehen im Raum fortlaufend Photonen, deren Wellen alle möglichen Frequenzen annehmen können. Doch zwischen den Metallplatten ist das nicht möglich. Hier können nur Photonen mit ganz bestimmten Wellenlängen entstehen. Die Folge ist, dass es zwischen den Platten weniger Photonen gibt als darum herum. Die größere virtuelle Photonendichte außerhalb der Platten sorgt für den Casimir-Effekt, der die beiden Platten aufeinander zuzieht beziehungsweise gegeneinander drückt.
Fischbach und Krause haben nun folgende Idee: Die Stärke des Casimir-Effektes hängt hauptsächlich von der Anzahl der Elektronen in den Metallplatten ab. Wenn man nun das gleiche Experiment zweimal mit dem gleichen Metall, aber verschiedenen Isotopen dieses Metalls durchführt, dann müsste der Casimir-Effekt beide Male gleich groß sein, die Gravitationskraft aber bei dem schwereren Isotop größer. Das würde es erlauben, den das Ergebnis verfälschenden Casimir-Effekt wegzurechnen und nur das Verhalten der Schwerkraft zu testen. Die verschiedenen Isotope eines chemischen Elementes haben die gleiche Elektronenzahl, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen in ihrem Atomkern.
Allerdings galt es noch einen möglichen Haken auszuräumen: Ein wenig hängt die Stärke des Casimir-Effektes doch vom jeweiligen Isotop ab. Doch in ihrer aktuellen Veröffentlichung konnten Fischbach und Krause theoretisch nachweisen, dass dieser Einfluss so gering ist, dass er ihr geplantes Experiment nicht verfälschen wird.
Axel Tillemans
