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Das Bindeglied zwischen Theorie und Experiment
Industrienormen beruhen auf Naturkonstanten. Zum Weltnormungstag am 14. Oktober 2021 erklärt Aldo Antognini vom Labor für Teilchenphysik des PSI, warum es ohne diese fundamentalen Konstanten keine Physik gäbe und was das mit der Französischen Revolution zu tun hat.
Herr Antognini, warum sind die Naturkonstanten in der Physik so wichtig?
Aldo Antognini: Jede Theorie in der Physik braucht diese fundamentalen Konstanten, zum Beispiel die Teilchenphysik, mit der wir uns hier am PSI beschäftigen. Es gibt keine Theorie, die eine physikalische Grösse allein durch Mathematik vorhersagen kann. Um zum Beispiel das Energieniveau eines Atoms oder die Wechselwirkung eines Atoms mit einem Laser zu berechnen, muss die Ladung des Elektrons bekannt sein. Sie ist eine fundamentale Konstante, die experimentell bestimmt werden muss. Dies geschieht, indem man die theoretischen Vorhersagen, die von dieser Grundkonstante abhängen, mit den entsprechenden Messungen in Einklang bringt.
Die Kenntnis einer Konstante verleiht der Theorie eine Vorhersagekraft: Wenn die Fundamentalkonstante genau bekannt ist, kann auch die theoretische Vorhersage genau sein. Das Spiel der Physik besteht darin, Theorie und Experiment zu vergleichen. Wenn beide übereinstimmen, können wir aus dem Vergleich die Fundamentalkonstante genauer bestimmen. Wenn sie nicht übereinstimmen und wenn kein Fehler im Experiment und in der Berechnung vorliegt, ist etwas auf der fundamentalen Ebene falsch oder unvollständig, und die Physiker müssen sich für die Theorie etwas Neues einfallen lassen. Auf diese Weise entwickeln sich Theorien weiter.
Im Jahr 2019 gab es eine grosse Änderung im Internationalen Einheitensystem. Was hat sich bei den SI-Einheiten geändert?
Früher wurde beispielsweise das Kilogramm von einem willkürlichen physikalischen Objekt abgeleitet, dem Urkilogramm, das in einem klimatisierten Tresor in Paris aufbewahrt wird und dessen Langzeitstabilität fraglich ist. Und das Kelvin wurde über den sogenannten Tripelpunkt des Wassers definiert, eine Materialeigenschaft, die nicht so gut kontrollierbar oder fundamental ist. Das war für uns Physiker unbefriedigend. Im neuen SI-System basieren nun alle sieben SI-Einheiten – Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela – auf fundamentalen Konstanten, also Invarianten der Natur, die in verschiedenen Bereichen der Physik auftreten, von der speziellen Relativitätstheorie über die Quantenphysik bis hin zur Festkörperphysik. Das Kilogramm beispielsweise ist jetzt durch die Planck-Konstante und das Ampere durch die Elektronenladung definiert. Diese Konstanten wurden 2019 auf ihren Wert festgelegt, und ihre Unsicherheit wurde beseitigt.
Es hätten auch andere Konstanten zur Definition des neuen SI-Systems gewählt werden können, da sie alle miteinander verbunden sind, aber die 2019 getroffene Entscheidung stellt die sauberste Verbindung zu den experimentellen Verfahren her.
Sind die SI-Einheiten damit ein für alle Mal festgelegt?
Es könnte noch kleine Änderungen geben, zum Beispiel eine Neudefinition der Sekunde, aber ich denke, dass grundlegende Änderungen unwahrscheinlich sind. Und sehr wahrscheinlich wird sich an der Philosophie, die Einheiten an experimentell eindeutig beobachtbaren Naturkonstanten festzumachen, überhaupt nichts ändern.
Welche fundamentale Konstante spielt in Ihrer Forschung die grösste Rolle?
Da gibt es viele: die Elementarladung, die Lichtgeschwindigkeit, die Planck-Konstante. Eine Kombination dieser Konstanten ist die Rydberg-Konstante. Sie spielt für uns eine besondere Rolle, weil sie eng mit dem Protonenradius verknüpft ist, den wir in unseren Experimenten messen. Mit anderen Worten: Aus der Messung des Protonenradius in unserem Experiment lässt sich ein sehr genauer Wert für die Rydberg-Konstante ableiten. Daher spielt der Protonenradius durch die Rydberg-Konstante eine entscheidende Rolle bei der Anpassung vieler anderer fundamentaler Konstanten, die sich sogar auf die Definition der neuen SI-Einheiten auswirken. Ein kleiner Teil unserer Forschung über den Protonenradius steckt also im neuen SI-System.
Was erforschen Sie bei diesen Experimenten?
Wir interessieren uns für das Wasserstoffatom, das kleinste aller Atome und ein Prüfstein für viele Theorien in der Physik. Ausserdem für die Struktur des Protons, des einfachsten Atomkerns. Mit unserem Protonenbeschleuniger erzeugen wir Myonen, die Myonenwasserstoff bilden, einen Cousin des normalen Wasserstoffs, bei dem ein Myon statt eines Elektrons das Proton umkreist. Das PSI ist weltweit die einzige Forschungsstätte, die genügend langsame Myonen für solche Experimente erzeugt. Myonischer Wasserstoff ist nur ein Zweihundertstel so gross wie Wasserstoff, sodass die Energieniveaus dieses Atoms stark von der Grösse des Protons beeinflusst werden. Eine Messung der Energieniveaus im myonischen Wasserstoff mithilfe der Laserspektroskopie führt daher zur genauen Bestimmung des Protonenradius. Dieser Radius ist ein wichtiger Massstab für Theorien, die auf das Verständnis der komplexen Protonenstruktur abzielen, die sich aus den Quark-Wechselwirkungen bei niedriger Energie ergibt.
Was ist mit der Rydberg-Konstante?
Die Rydberg-Konstante kommt ins Spiel, wenn wir unsere Messung mit Messungen an normalem Wasserstoff kombinieren. Ein Vergleich von Theorie und Experiment in Wasserstoff mit dem aus dem myonischen Wasserstoff bekannten Protonenradius führt zu einer sehr genauen Bestimmung der Rydberg-Konstante. Es zeigt sich, dass die so bestimmte Rydberg-Konstante die am genauesten gemessene fundamentale Konstante ist.
Alle Konstanten sind durch lange Zahlen mit vielen Nachkommastellen definiert. Könnte man nicht die eine oder andere Konstante auf 1 setzen, zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit?
Wenn man das tut, ändern sich alle Grössen mit physikalischen Einheiten. Die Höchstgeschwindigkeit auf der Autobahn wäre dann eine andere Zahl mit einer anderen Einheit. Das Kilogramm wäre nicht mehr das Kilogramm, also wäre die Zahl, die beim Wiegen angezeigt wird, eine völlig andere. Was dann passiert, konnte man während der Französischen Revolution sehen. Damals wurde das Gramm als das Gewicht von 1 Kubikzentimeter Wasser eingeführt. Da die Menschen das nicht kannten, führte es zu Chaos. Das neue SI-System, das 2019 neu definiert wurde, verursacht keine derartigen Probleme, da es in Kontinuität zum vorherigen SI-System steht, so hat es praktisch keine unmittelbar spürbaren Auswirkungen. Diese Kontinuität wurde dadurch erreicht, dass die definierenden Grundkonstanten auf ihren Wert von 2019 festgelegt wurden und dass weiterhin dieselben Einheiten verwendet werden: Meter pro Sekunde, Watt, Newton und so weiter. Die bessere Wahl des Einheitensystems verringert die Unsicherheit der verschiedenen Konstanten, die wir für unsere Theorien benötigen. Ausserdem gibt sie der Wissenschaft einen präziseren Rahmen zur Untersuchung subtiler Effekte und der Technik mehr Präzision.
Das würde sich wahrscheinlich auch auf Industrienormen auswirken?
Ja, auch Industrienormen wie die Leistungsaufnahme in Watt, Spannungen in Volt und Widerstände in Ohm werden durch das neue SI-System beeinflusst. Die praktische Umsetzung der Widerstandseinheit und der Spannungseinheit im neuen SI-System ist mit den definierenden Konstanten der elektrischen Ladung und der Planck-Konstante verbunden und wird mithilfe von zwei schönen quantenmechanischen Effekten erreicht, dem Josephson-Effekt in zwei durch eine dünne Barriere getrennten Supraleitern und dem fraktionierten Quanten-Hall-Effekt.
Da der Protonenradius verwendet wurde, um die Rydberg-Konstante zu bestimmen, und die Rydberg-Konstante verwendet wird, um die Gesamtheit der definierenden Konstanten einschliesslich der Elektronenladung und der Planck-Konstante einheitlich zu definieren, findet sich unsere Forschung zum Protonenradius auch in Ihrer Stromrechnung und wenn Sie sich auf die Waage stellen.
Einige Physiker glauben, dass es neben unserem Universum noch andere Universen geben könnte. Wären die Naturkonstanten dort dieselben?
Erst mal müssten wir zumindest Beweise für solche Universen finden. Bislang gibt es keine. Was das für die Fundamentalkonstanten bedeuten würde, ist schwer zu sagen. Aber was Physiker derzeit untersuchen, ist die Frage, ob sich die Naturkonstanten im Lauf der Zeit verändern. Es gibt zum Beispiel Überlegungen, dass es im frühen Universum eine Zeit gab, in der die Naturkonstanten anders waren. Vielleicht verschieben sie sich auch jetzt noch minimal. Es gibt mehrere Experimente weltweit, die das herausfinden wollen.
Was wäre, wenn diese Experimente eine solche Abweichung feststellen würden?
Das hätte erhebliche Konsequenzen. Dann müssten die Physiker handeln und ihre Theorien anpassen. Das ist ein weiterer Grund, warum diese Forschung so wichtig ist.
Interview: Bernd Müller