Die Geschichte der Physik in den letzten 50 Jahren liest sich wie eine Liste der Rekorde: minimale und maximale Temperaturen, Drücke, Zeitspannen. Dafür gibt es keine Medaillen. Doch an den Grenzen der Messbarkeit warten häufig Erkenntnisse, die Rückschlüsse etwa über den Aufbau von Materie oder physikalische Grundgesetze erlauben. Grenzen sind für Physiker dazu da, überwunden zu werden oder sie weiter hinauszuschieben. Der Rekord selbst, die bloße Zahl, ist für die Medien interessant. Doch Physiker sind erst zufrieden, wenn sie auch eine neue physikalische Erkenntnis verkünden können.
Die Rekordjagd war meist getrieben von Experimenten, die bestätigen sollten, was die Physiker schon vermutet hatten. Beispiel tiefe Temperaturen: Mikrokelvin, Nanokelvin und zuletzt sogar Pikokelvin – millionstel, milliardstel oder billionstel Grad über dem Absoluten Temperaturnullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius. In den 1980er- und 1990er-Jahren lange mit im Rennen war Frank Pobell, der an der Universität Bayreuth per Magnetkühlung Gase auf 1,5 Mikrokelvin abkühlte. Das Ziel des Wettlaufs war, die seltsamen Eigenschaften von Materie bei tiefen Temperaturen zu ergründen. So beschäftigte sich Pobell mit superfluidem Helium, das keine innere Reibung besitzt. Spekuliert darüber hatte man schon vor über 70 Jahren.
Besonders exotisch ist eine Form der Materie aus quasi miteinander verschmolzenen Atomen: das Bose-Einstein-Kondensat, das Albert Einstein und der Inder Satyendraneth Bose 1924 vorhergesagt hatten. 1995 war es so weit: US-Forscher erzeugten erstmals die Quantensuppe bei einer Temperatur von 170 milliardstel Grad über dem Absoluten Nullpunkt. Das gelang nur, weil die US-Physiker Steven Chu (heute US-Energieminister) und William Phillips eine Kühlung entwickelt hatten, bei der Gas-Atome sanft mit Laserlicht abgebremst werden. Das legte den Grundstein für eine völlig neue Physik bei extrem tiefen Temperaturen – und ermöglichte etwa den Bau des ersten Atomlasers durch den deutschen Physiker Wolfgang Ketterle. Peter Strehlow, Leiter der Arbeitsgruppe für ultratiefe Temperaturen bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, ist überzeugt, dass der Wettlauf hart am Absoluten Nullpunkt weitergehen wird: „Zwischen einem millionstel und einem tausendstel Kelvin spielen sich genauso viele physikalische Phänomene ab wie zwischen einem und tausend Kelvin.”
520 Millionen Grad Hitze
Die hochpräzisen Apparaturen der Tieftemperaturphysiker passen in ein kleines Labor. Am anderen Ende der Temperaturskala geht es raumgreifender zu – etwa im japanischen Fusionsreaktor JT60, der 1996 heißes Plasma auf 520 Millionen Grad Celsius erhitzte. Oder in riesigen Beschleunigern, die Atomkerne aufeinander schießen, um so die Bedingungen am Urknall nachzustellen. Den Teilchenphysikern geht es darum, möglichst viel Energie auf einen Punkt zu konzentrieren, damit daraus neue Teilchen entstehen, die das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik komplettieren. Das gelang bisher mit beeindruckender Vorhersagbarkeit. So fanden Forscher am Teilchenlabor CERN in immer größeren Beschleunigern die W- und Z-Bosonen – die Vermittler der schwachen Wechselwirkung, einer der vier Grundkräfte der Natur. Forschern am Fermilab bei Chicago ging 1995 das letzte und schwerste der sechs Quarks ins Netz, das Top-Quark (Fragen 15 und 16).
Nächster und wohl letzter Meilenstein soll das Higgs-Teilchen sein, das im Standardmodell erklärt, wie Materie zu ihrer Masse kommt (Frage 11). Wenn der neue LHC-Beschleuniger am CERN seine Kinderkrankheiten hinter sich hat, sollte sich das 1964 postulierte Teilchen endlich aufspüren lassen. Falls nicht, würde das ein gewaltiges Loch ins Standardmodell reißen.
Das Zauberwort heisst Präzision
Spektakuläre Temperaturrekorde sind künftig nicht mehr zu erwarten. Nach unten setzt der Absolute Nullpunkt eine unüberwindbare Barriere, nach oben ist die technische Machbarkeit das Limit. Der nächste Forschungsfusionsreaktor ITER wird sein Plasma „nur” auf 100 Millionen Grad heizen. Die Herausforderung liegt im Aufrechterhalten des Fusionsprozesses. Statt am „Höher, Schneller, Weiter” sind Physiker sowieso eher am „Genauer” interessiert – an der Präzision ihrer Messungen. Denn davon hängt die Kenntnis vieler Naturkonstanten ab und damit die Vorhersagekraft vieler physikalischer Theorien. Zwei deutsche Physiker – beide mit dem Nobelpreis dekoriert – haben hier Bahnbrechendes geleistet. Der eine ist Klaus von Klitzing: Er entdeckte 1980 den Quanten-Hall-Effekt, der besagt, dass bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern der altbekannte Hall-Effekt – die Ablenkung geladener Teilchen in einem Magnetfeld – nicht linear, sondern in Stufen mit dem Magnetfeld wächst. Diese Messung ist so exakt, dass die Klitzing-Konstante heute als Normdefinition des elektrischen Widerstands dient.
Der andere Pionier ist Theodor Hänsch, der in den 1990er-Jahren mit dem Frequenzkamm eine Art zeitliches Lineal entwickelt hat. Die extreme Genauigkeit solcher Experimente könnte der Zunft noch Kopfzerbrechen bereiten. Die Messungen sind so präzise, dass man damit sogar Naturkonstanten kontrollieren kann – ein interessantes Forschungsfeld der Zukunft. Denn so konstant sind mache Naturkonstanten vielleicht gar nicht. Einige Theoretiker spekulieren, dass sich die Feinstrukturkonstante, die bei Elektrizität und Magnetismus eine wesentliche Rolle spielt, um ein millionstel Milliardstel pro Jahr verändert.
Bei manchen physikalischen Experimenten ist gar nicht klar, ob sich überhaupt etwas messen lässt. Zum Beispiel beim neutrinolosen Doppelbeta-Zerfall – dem gleichzeitigen radioaktiven Zerfall zweier Protonen oder Neutronen in einem Atomkern: Tausend Millionen Millionen Mal das Alter des Universums – so lange dauert es, bis laut Theorie die Hälfte einer Stoffmenge auf diese Weise zerfallen ist. Das tut sie aber nur, wenn Neutrinos eine Masse haben, und das ist immer noch nicht bewiesen. Physiker wollen den extrem seltenen Zerfallsereignissen auflauern – mithilfe von GERDA (Germanium Detector Array): einem sechs Meter hohen Tank unter dem Bergmassiv des Gran Sasso in den italienischen Apenninen. Darin hängen einige Kilogramm reines Germanium, das gleichzeitig als Probe und Detektor dient. Pro Kilogramm rechnen die Experimentatoren mit weniger als einem Zerfall pro Jahr. Nicht nur der Drang der Physiker, Neuland zu entdecken, ist also grenzenlos, sondern auch ihre Geduld und Hartnäckigkeit. ■
von Bernd Müller
