Montag, 7. Juli 2008

Experimente - Teleskope - Theorien

Astrophysik, jene Kombination aus Elementarteilchenphysik und Astronomie, ist in einem ungeheueren Aufschwung begriffen. Derzeit sind weltweit Dutzende von Experimente im Aufbau, die zum Teil weit über eine Milliarde Euro kosten und für deren Planung und Betrieb oft Tausende von Wissenschaftler nötig sind. Generell ist man den kleinsten Teilchen und Wellen auf der Spur und zwar auf der Erde, unter der Erde und im Weltraum.

Einige Tausend Wissenschaftler arbeiten am europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf in der Schweiz. Im LHG-Beschleuniger, der in Kürze in Betrieb gehen soll, will man das Quark-Gluon-Plasma künstlich herstellen, jenen Massebrei, welcher kurz nach dem Urknall entstanden ist. Daneben sucht man Antimaterie, Schwarze Löcher, und - besonders sexy - das sogenannte Higgs-Teilchen, das der Materie sein Gewicht verleihen soll.

Ausgesprochen winzig sind die Neutrinoteilchen und deswegen auch ausserordentlich durchdringend. Wollte man die von der Sonne ausgestrahlten Neutrinos abschirmen, so bräuchte man eine Bleiwand von mehr als 100 Millionen Kilometer Dicke. Derzeit baut man im Forschungszentrum Karlsruhe die Anlage KATRIN auf, eine Art Waage, mit der man hofft, das Gewicht des Neutrinos experimentell bestimmen zu können. Bei einen anderen Experiment, im arktischen Eis, wird ein Eiswürfel von einem Kubikkilometer Ausdehnung mit Sensoren bestückt, welche die seltenen Lichtblitze der Neutrinos detektieren sollen.

Mehrere Forschergruppen beschäftigen sich mit dem Nachweis der Dunklen Materie, deren Elementarteilchen WIMPs genannt werden. Zur Ausschaltung von Störeinflüssen sind die Experimentieranlagen in tiefen Untergrundlabors platziert, so im italienischen Gran-Sasso-Felsen und im französischen Fréjus-Tunnel.

Nach wie vor rätselhaft ist die kosmische Höhenstrahlung, die aus der Tiefe des galaktischen Raums und der Milchstrasse kommt. Sie besteht aus den energiereichsten Atomkernen, die man kennt. Ein einziger Atomkern kann die Bewegungsenergie eines hart geschlagenen Tennisballs erreichen. Vermutlich stammen sie aus explodierenden Sternen, den Supernovae. Auf der Erde lässt sich die Höhenstrahlung nicht direkt, sondern nur über ihre Folgeprodukte, die "Luftschauer" nachweisen. Derzeit geschieht das im Pierre-Auger-Observatorium, welches in der argentinischen Pampa aufgebaut ist. Über die riesige Fläche von 3.000 Quadratkilometern sind 1.600 Detektoranlagen und 24 Teleskope installiert; 250 Wissenschaftler aus 15 Ländern beteiligen sich an diesem Experiment.

Gewissermassen der Champions-League sind die Experimente um die Gravitationswellen zuzuordnen. Sie entstehen, wenn sich Massen beschleunigt bewegen. Dann erzeugen sie in der Raumzeitgeometrie Störungen, die mit Lichtgeschwindigkeit den Raum durcheilen. Die daraus resultierende "Kräuselung" der Raumzeit ist extrem klein, in der Gegend des Durchmessers eines Wasserstoffatoms und darunter. Gravitationswellen wurden von Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorher gesagt, konnten aber bislang nicht nachgewiesen werden. Umso grösser ist der Ehrgeiz der Forscher in dieser Richtung.

Das Experiment GEO 600 bei Hanover nutzt ein Interferometer, bei dem die Phasenverschiebung zwischen zwei Laserstrahlen gemessen wird. Leider gibt es auf der Erde eine Fülle von Störquellen (wie Verkehr, Mikrobeben etc.) , sodass man auf den Weltraum ausweichen will. Das geplante Experiment LISA besteht aus drei Satelliten, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks mit einer Armlänge von 5 Millionen Kilometer angeordnet sind und welche das Interferometer bilden. Mit ihm hofft man Gravitationswellen zu entdecken, welche bereits beim Urknall entstanden sind und die, nach Meinung der Theoretiker, heute noch als allgegenwärtiges Rauschen das Universum durchziehen.




Teleskope sind nach wie vor notwendig zur astronomischen Beobachtung der Sterne und Galaxien. Derzeit gibt es weltweit mehrere Dutzend Lichtteleskope, die einen Spiegeldurchmesser von über 4 Metern besitzen. Das grösste, mit dem (fantasielosen) Namen "Very Large Teleskope" hat 8,2 m und ist in den chilenischen Anden aufgestellt. Das Hubble-Teleskop besitzt zwar nur einen Spiegeldurchmesser von 2,4 m, ist aber im Weltraum platziert und vermeidet dadurch die störenden Einflüsse der Erdatmosphäre. Es liefert die schärfsten Bilder aus den entferntesten Bezirken des Weltalls.


Die nächste Generation der Superteleskope ist in der Planung. Dem Hubble-Teleskope soll das ebenfalls satellitengestützte Webb-Teleskop nachfolgen mit einem Spiegeldurchmesser von
6-8 m. Es wird auch für die Sammlung von Infrarotlicht geeignet sein. Die Europäer planen das erdgebundene "Overwhelmingly Large Telescope", welches einen Effektivdurchmesser von mehr als 100 m haben wird. Diese riesige Spiegelfläche wird allerdings mosaikartig auf etwa 2000 kleinere Elemente aufgeteilt, die einzeln adjustiert werden können, um Fluktuationen in der Atmosphäre zu vermeiden.


Neben diesen Lichtteleskopen gibt es eine Vielzahl von Spezialteleskope für den übrigen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Sie nutzen Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen,
sowie die Infrarot- Mikro- und Radiowellen. Analog zur Akustik kann man das elektromagnetische Spektrum in "Oktaven" einteilen; man würde so über hundert Oktaven erhalten. Das sichtbare Licht entspricht in dieser Analogie nur einer einzigen Oktave. Unsere Lichtteleskope sehen die Welt also nur durch einen sehr schmalen Schlitz im elektromagnetischen Spektrum - wie durch eine Burka!



Auf dem Gebiet der Theorie wird das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik immer mehr abgelöst durch die aufkommende Stringtheorie. Sie postuliert keine Atomteilchen im Sinne von "Punkten", sondern in Form von vibrierenden Saiten (englisch: strings). Ihr Nachteil ist, dass diese strings in Beschleunigern wegen ihrer Kleinheit wohl nie nachweisbar sein werden; ausserdem lassen sie sich mathematisch nicht in den üblichen 3 Raumdimensionen, sondern nur in 9 oder 10 Dimensionen formulieren. Die Stringtheorie benötigt gewissermassen die Mathematik des 21. Jahrhunderts.


Noch gibt es Skepsis bei diesem neuen Kalkül, aber die Stringphysiker sind bereit für ihre Theorie die Hand ins Feuer zu legen. Zum einen, weil sie eine Kraft wie die Gravitation (nahezu) vorhersagt, zum anderen, weil es sich um eine - mathematisch - sehr ästhetische Theorie handelt, die den Weg zur langersehnten "Weltformel" aufzeigen könnte. Darunter verstehen die Physiker die Vereinigung der Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, woran sich u.a. Heisenberg und Einstein jahrzehntelang (vergeblich) bemüht haben.


Die "formale Ästhetik" einer Theorie hat bei den Physikern einen hohen Stellenwert. Als Einstein 1916 seine Allgemeine Releativitätstheorie vorstellte, gewann er sofort viele Anhänger wegen der mathematischen Eleganz dieser Theorie. Später wurde er gefragt, wie er reagiert hätte, falls sie experimentell nicht bestätigt worden wäre. Er soll gesagt haben:

"Der Herrgott hätte mir Leid getan".

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