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News: Quintessenz einer veränderlichen Konstante

Veränderliche Naturkonstanten sind nicht nur semantisch eine Gratwanderung, sondern stoßen gleich manche althergebrachte physikalische Theorie - ja, sogar Weltbilder in den Abgrund. Aber was Physiker im Allgemeinen zum Schwindeln bringt, lässt Kosmologen im Speziellen Berge - ach was - Galaxien versetzen.
Hubble Deep FieldLaden...
Für den Hausgebrauch reicht 1 durch 137. Denn ziemlich genau so groß ist die Feinstrukturkonstante Alpha – ein dimensionsloser Wert, der ein Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung darstellt und somit die Größe der Kräfte zwischen elektrischen Ladungen und Feldern bestimmt. Wer es etwas genauer braucht, kann sich Alpha auch schnell aus ein paar anderen wohl bekannten Naturkonstanten ausrechnen. Darin ein geht dabei alles, was Rang und Namen hat: die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, die Elementarladung, das Planck'sche Wirkungsquantum und die magnetische Feldkonstante.

Bei so viel prominenter Konstanz sollte man meinen, dass auch Alpha ein für allemal bis in alle Ewigkeit festgelegt und nicht an der kleinsten Nachkommastelle zu rütteln ist – eben eine Naturkonstante wie sie im Buche steht. Doch diese Vorstellung ist vielleicht falsch, wie Forscher seit ein paar Jahren argwöhnen. Denn bereits 1999 stellten Astronomen anhand der Spektren ferner Quasare fest, dass die vermeintliche Konstante einmal deutlich kleiner gewesen sein muss, wenngleich das schon einige Milliarden Jahre her sein müsse. Was sich zunächst nur anhand einiger weniger Messergebnisse abzeichnete, bestätigte sich bei weiteren Beobachtungen der fernen lichtstarken Systeme.

Auf unserer Erde ließ sich im Rahmen der Messgenauigkeit der Wandel von Alpha indes nicht nachweisen – allerdings reicht das Datenmaterial auch nur bescheidene zwei Milliarden Jahre zurück. Mehr haben die langlebigen Zerfallsreihen, die Aufschluss über etwaige Variationen liefern können, nicht zu bieten. Doch das passt eigentlich ganz gut ins Bild, meinen nun Luis Anchordoqui und Haim Goldberg von der Northeastern University in Boston. Die Forscher vermuten nämlich, dass sich Alpha vor allem zu jenen Zeiten geändert hat, als die Dunkle Energie ihre Herrschaft über das Universum antrat.

Denn wie Astronomen vor einigen Jahren feststellten, reicht die ganze Masse des Universums wider Erwarten nicht dazu, dass sich selbiges zusammenzieht, vielmehr scheint irgendetwas der Gravitationskraft Paroli zu bieten. Mehr noch: Die Expansion wird sogar noch beschleunigt. Ein Kandidat für diese obskure Kraft, die Dunkle Energie, ist die Quintessenz. Ein abstoßend wirkendes Quantenkraftfeld und damit eine fünfte – sic! daher der Name – Kraft im Universum, die zu Anbeginn von Zeit und Raum vergleichsweise schwach gewesen sein muss, heute jedoch die anderen Kräfte übertrifft.

Und eben ein solches Quintessenz-Modell – vor einigen Jahren formuliert von Andreas Albrecht und Constantinos Skordis von der University of California in Davis – scheint gut mit den Feinstrukturdaten übereinzustimmen. So war Alpha vor zehn Milliarden Jahren rund 200 000-mal schwächer als heute. Als dann aber vor acht Milliarden Jahren die Quintessenz das Szepter übernahm, klammerten sich die Ladungsträger im Universum etwas stärker aneinander, was sich in einem größer werdenden Alpha-Wert niederschlug. In den letzten paar Milliarden Jahren tat sich dann wieder wenig. Hier blieb Alpha tatsächlich vergleichsweise konstant.

Immerhin, das Quintessenz-Modell von Albrecht und Skordis scheint offenbar auch ganz gut zu den neuesten Aufnahmen des kosmischen Mikrowellenhintergrund zu passen, an dem sich wichtige Kenndaten des Universums wie sein Alter und seine Form ergründen lässt. Bleibt abzuwarten, inwieweit andere Beobachtungsdaten und Experimente nun auch den Zusammenhang mit der Feinstrukturkonstante bestätigen können.

Anchordoqui und Goldberg spekulieren, dass sich bei Gravitationsexperimenten zwischen mehreren verschiedenen Massen im freien Fall Unterschiede aufgrund des Materials ergeben sollten. Zehnmal so empfindlich wie heute möglich müssten die Experimente ablaufen, die dann zwar theoretisch die Veränderlichkeit von Alpha beweisen könnten, aber auch gleichzeitig das Äquivalenzprinzip in Frage stellen – immerhin die im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie geforderte, bestbewährte Annahme von Albert Einstein, dass Gravitationskräfte äquivalent zu Trägheitskräften sind.

In ein paar Jahren könnten wir mehr wissen, denn gleich zwei geplante Missionen sind vermutlich empfindlich genug, derartige Verletzungen des Äquivalenzprinzip nachzuweisen: Zum einen ist das die französische MICROSCOPE-Mission und die NASA-ESA-Mission STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle). Goldberg meint scherzhaft: "Es könnte sein, dass wir das Modell einer veränderlichen Feinstrukturkonstante schon in ein paar Jahren mit den Instrumenten an Bord der Satelliten bestätigen können. Oder wir könnten Alpha die nächsten paar Milliarden Jahre bei Experimenten im Labor bestimmen, um Veränderungen wie im Licht der Quasare festzustellen. Ich setze auf die Satelliten."

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