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Relativitätstheorie: Eine Masse Energie

Sie ist wohl die berühmteste Formel der Physik: E = mc2. Einstein leitete sie nach theoretischen Überlegungen her. Experimente zeigen nun, dass sich die Natur exakt an die Gleichung hält.
Viele Zeitgenossen hielten Albert Einstein für verrückt. Seriös schien der Professor für Physik mit seinen krausen Haaren und seiner Abneigung gegen das Tragen von Socken zumindest nicht zu sein. Auch sein Relativitätsprinzip galt lange als umstritten. Als er dann zusätzlich im Jahre 1905 in seiner Arbeit "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?" in den angesehenen Annalen der Physik behauptete, dass ein Molekül oder ein Atomkern leichter sei, als alle seine Bestandteile zusammengenommen, war für die (wenigen) Kolleginnen und (die vielen) Kollegen die Sache klar: Sie tickten sich mit ihrem Zeigefinger an die Stirn oder drehten damit kleine Kreise in der Nähe ihrer Schläfen. Doch ist die Aussage nach dem Gewichtsverlust ausschließlich eine Folge der von ihm hergeleiteten Formel, wonach die Energie eines Teilchens gleich seiner Masse multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit ist.

Mittlerweile ist diese Äquvalenz Schulwissen geworden – auch wenn sich kaum jemand die Mühe macht, sich die verhältnismäßig einfache Herleitung der Gleichung einmal näher anzusehen. Einstein hat sie aus theoretischen Überlegungen heraus entwickelt. Er hoffte, man könne die Gleichung experimentell bestätigen, indem man beispielsweise eine Massendifferenz zwischen einem gebundenen Zustand und der Summe der einzelnen Teilchen nachwiese, "... zum Beispiel in den Salzen des Radiums ...", wie Einstein in seiner Arbeit vermerkte. Die Abweichung entspräche dann der Bindungsenergie.

Der zu messende Gewichtsunterschied erwies sich aber als zu winzig, um ihn damals einwandfrei zeigen zu können. Entspricht eine Massendifferenz von nur einem Gramm beliebiger Materie doch bereits einer so enormen Energiemenge, dass sie mit der Sprengkraft einer Atombombe vergleichbar ist.

Inzwischen aber haben sich die Messmethoden deutlich verfeinert. Und so wagte sich nun ein Forscherteam um Simon Rainville von der kanadischen Universität Laval in Québec zusammen mit Wissenschaftlern vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und dem National Institute of Standards and Technology (NIST) an diese heikle Aufgabe. Ihre Motivation: Abweichungen von Einsteins Formel würden auf eine "neue" Physik hindeuten und hätten beträchtliche praktische Konsequenzen – beruht doch beispielsweise das Global Positioning System (GPS) auf den Erkenntnissen des Ausnahmephysikers.

Das Forscherteam unternahm sogar gleich zwei unabhängige Versuche mit verschiedenen Elementen – einmal mit den beiden Silizium-Isotopen 28Si und 29Si, die sich jeweils um ein Neutron im Atomkern unterscheiden. Dasselbe Experiment führten sie ferner mit den Schwefel-Isotopen 32S und 33S durch. Der Test basiert auf der physikalischen Erfahrung, dass die leichten Atomkerne des Siliziums sowie des Schwefels, Bindungsenergie in Form von Röntgenstrahlung abgeben, wenn sie ein zusätzliches Neutron einfangen. Die Arbeitsgruppen bestimmten daher mit äußerster Präzision die Massendifferenz zwischen den Isotopen eines jeweiligen Elements sowie die Energie des jeweils abgestrahlten Gammaquants.

Die Forscher teilten sich die Arbeit: Die Massendifferenz zwischen den Isotopen ermittelte die Arbeitsgruppe am MIT. Sie ionisierten die Atome und platzierten jeweils ein schweres und ein leichtes Ion des gleichen Elements zur selben Zeit in einen elektromagnetischen Käfig, der in Fachkreisen Penning-Falle heißt. Mit einem Magnetfeld spornten die Experimentatoren nun die geladenen Teilchen an, sich zu drehen. Wie schnell das geschieht, hängt empfindlich von deren Masse ab. Physiker sprechen hier von der so genannten Zyklotronfrequenz. Durch den Vergleich der Perioden, lässt sich der gesuchte Massenunterschied äußerst akkurat bestimmen. Für Schwefel kamen die Wissenschaftler beispielsweise auf einen Wert, der 700 Mal so genau ist wie von anderen Experimentatoren bislang ermittelt. Ein Grund für die Exaktheit ist die synchrone Messung: Eventuelle lokale Abweichungen der Magnetfeldstärke betreffen beispielsweise beide Isotope gleichzeitig und mitteln sich heraus.

Die Energie des Gammaquants, das bei der Aufnahme eines Neutrons von einem Atomkern abgestrahlt wird, bestimmten dagegen die Wissenschaftler vom NIST. Sie nutzten dazu ein Instrument am Institut Laue Langevin (ILL) im französischen Grenoble. Hauptbestandteil des Gerätes ist ein nahezu perfekter Kristall, der Röntgenlicht auf charakteristische Weise reflektiert. Der Winkel, unter dem die kurzwellige, elektromagnetische Strahlung abgelenkt wird, ist von der Energie der Photonen abhängig – eine Erkenntnis, die dem Physiker William Henry Bragg und seinem Sohn William Lawrence zu verdanken ist und ihnen zu Ehren Bragg-Spektroskopie genannt wird.

Mit der hochpräzisen Bestimmung der Massendifferenz und der Bindungsenergie konnten Rainville und seine Kollegen nun die Gültigkeit von Einsteins Formel experimentell bestätigen und zwar – im Rahmen der Messungenauigkeit – bis auf wenige zehntausendstel Promille exakt. Die Ergebnisse sind nach Angaben der Wissenschaftler mehr als fünfzigmal so genau wie frühere Experimente, die beispielsweise Teilchenphysiker in Beschleunigern durchgeführten, indem sie paarweise Elementarteilen mit ihren Antiteilchen vernichteten. Und sie zeigen eindrücklich: Einsteins Theorie hat den praktischen Test bestanden.

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