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Naturkonstanten: Schwerwiegende Neuvermessung

Runter kommen sie alle - fragt sich nur, wie schnell. Aber auch diese Frage lässt sich dank Newtons Gleichungen zur Gravitation mit ein bisschen Rechnerei klären. Vorausgesetzt, man kennt einen hinreichend genauen Wert für die Gravitationskonstante. Die haben Wissenschaftler nun endlich auf ein atomares Mess-System bezogen.
Gute Bekannte können mitunter besonders schwierig sein. Die Gravitation beispielsweise kennt die Menschheit schon von Anbeginn der Zeiten. Und doch dauerte es bis ins späte 17. Jahrhundert, bis ein gewisser Isaac Newton feststellte, dass jene seltsame Kraft beliebige Massen beieinander hält – je größer, umso stärker. Wie stark genau, das war einfach zu errechnen, wenn man den zugehörigen Proportionalitätsfaktor wusste, der die Zahlenwerte und Einheiten in der Gleichung anpasste.

Dummerweise ist die Gravitation aber eine sehr schwache Kraft und der alsbald Gravitationskonstante genannte Faktor darum ein sehr kleiner Wert. Kurzum: Selbst für einen Newton war es experimentell nicht möglich, die Konstante befriedigend zu bestimmen.

Weitere gut einhundert Jahre blieb die Konstante ohne Wert, bis der britische Naturforscher Henry Cavendish im Jahre 1798 mit einer Drehwaage als erster die gravitatorische Anziehung zweier Massen vermaß. In seinem Versuch verdrillt die Kraft zwischen zwei stationären großen und zwei beweglichen kleinen Bleikugeln einen Draht. Aus dem dabei erreichten Winkel ließ sich die wirkende Gravitationskraft ermitteln und damit die Gravitationskonstante berechnen.

In der Zwischenzeit haben sich zur Drehwaagen-Methode noch ein paar weitere Messverfahren gesellt, und der offizielle Wert für die Gravitationskonstante wurde unter Berücksichtigung der verschiedenen Ergebnisse im Jahre 2002 auf

   (6,6742±0,0010)·10-11 m3/(kg·s2)

festgelegt. Eine Kombination aus Zahl und Einheit, die zwar beeindruckend aussieht, der modernen Physik allerdings ein nagendes Unbehagen bereitet. Denn mit der Genauigkeit von etwa einem Promille ist die Gravitationskonstante die ungenaueste Naturkonstante in ihren Tabellenwerken – und damit bei manch exakter Berechnung ein Ärgernis.

Dem glauben die Physiker um Mark Kasevich von der US-amerikanischen Universität Stanford nun abhelfen zu können. Mit einer neuen Messweise, die auf dem Verhalten von Atomen basiert, wollen sie die Gravitationskonstante unabhängig von störenden Einflüssen ermitteln. Und tatsächlich verspricht ihr vorläufiger Wert von

   (6,693±0,027)·10-11 m3/(kg·s2)

ein bereits jetzt recht beachtliches Maß von Genauigkeit – zumal die bisherigen Experimente vor allem zeigen sollten, dass die Methode überhaupt funktioniert.

Denn der Weg zur modernen Gravitation führt tief in die verzwickte Welt der Quantenphysik. Darüber kann auch die kräftig zerrende Masse von 540 Kilogramm Blei nicht hinwegtäuschen. Sie beeinflusst diesmal nicht etwa kleine Kügelchen, sondern die Wellenpakete von Cäsium-Atomen, die in einer magnetooptischen Falle gefangen und auf tiefe Temperaturen abgekühlt werden.

Mit Laserlicht versetzen die Wissenschaftler jene Wellenpakete gezielt in verschiedene Energiezustände, spalten sie auf, verschieben die Phasen der Wellen, bringen sie in das Gravitationsfeld der Bleimasse und überlagern sie schließlich miteinander. Aus dem dabei entstehenden Interferenzmuster ermittelten die Forscher ihre Gravitationskonstante.

Wie genau die Konstante mit der neuen Apparatur überhaupt zu messen ist, hängt davon ab, wie exakt die experimentellen Parameter zu kontrollieren sind. Die Masse des Bleis, seine Reinheit und Gleichmäßigkeit, die Magnetisierung der Stahlplatte, auf welcher das Blei befestigt ist – und das sind allein Größen des "gewichtigen" Teils des Versuchsaufbaus. Der quantenphysikalische Teil dürfte noch um einiges anfälliger für Störungen sein.

Im Vergleich zu den traditionellen Verfahren sind die atomaren Messungen aber besser zu kontrollieren und verbergen keine unbekannten Problemchen. Auch wenn es dabei nur um Nachkommastellen einer ohnehin sehr kleinen Zahl geht, könnte eine exaktere Gravitationskonstante durchaus buchstäblich "riesige" Auswirkungen haben. Denn die Gravitation mag schwach sein, doch ihre Reichweite ist unbegrenzt – und so ist sie die bestimmende Kraft für die wirklich großen Strukturen im Universum.

Im Maßstab der Millionen Lichtjahre kann da selbst ein kleiner Unterschied bemerkenswerte Folgen haben. Und die möchten Physiker von heute in ihren Modellen zu gerne realitätsnah ausrechnen. Mit einer neuen Gravitationskonstante ginge das ein bisschen besser.

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