Naturkonstanten immer noch konstant!

  • 18. November 2014

Atomuhren belegen die Stabilität des Massenverhältnisses von Proton und Elektron.

Sind Naturkonstanten wirklich konstant? Neue Untersuchungen in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zeigen: Eine wichtige Naturkonstante, nämlich das Massenverhältnis von Proton zu Elektron, kann sich selbst über das Alter unseres Sonnensystems von etwa 5 Milliarden Jahren hochgerechnet nur maximal um einen millionstel Teil verändert haben. Bisher galt die allenfalls noch mögliche Änderung als doppelt so hoch. PTB-Physiker verglichen dazu über sieben Jahre hinweg Caesium- und Ytterbium-Atomuhren miteinander. Ihre Ergebnisse ergänzen die eines ähnlichen Experiments des britischen Metrologieinstituts, dem National Physical Laboratory NPL.

Nach der Entdeckung der kosmischen Expansion in den 1930er Jahren begannen Physiker darüber zu spekulieren, ob in einer solch dynamischen Welt überhaupt konstante Größen bestehen können. Womöglich unterliegen auch die Naturkonstanten zeitlichen Änderungen, aus denen man Informationen über die Struktur und die Entwicklung des Universums erhalten könnte? Seitdem hat man über Beobachtungen der Astro- und Geophysik nach Hinweisen auf Veränderungen von Naturkonstanten über kosmologische Zeiträume von Milliarden von Jahren gesucht. Das Ergebnis waren teilweise widersprüchliche Schlussfolgerungen.

In den letzten Jahren haben Laborexperimente mit Atomuhren eine Genauigkeit erreicht, die bereits mit Messungen über einen Zeitraum von wenigen Jahren einen Beitrag zu dieser Frage leisten können. Zwei Atomuhren, die auf unterschiedlichen Elementen beruhen, würden bei einer Änderung bestimmter Naturkonstanten im Laufe der Zeit auf eine vorhersagbare Weise voneinander abweichen. Mit dieser Methode wurde an der PTB durch Vergleiche zwischen einer optischen Uhr mit einem gespeicherten Ytterbium-Ion und Caesium-Atomuhren die Konstanz einer wichtigen Größe überprüft: des Massenverhältnisses von Proton und Elektron. Ein Proton ist etwa 1836-mal schwerer als ein Elektron und unterliegt zusätzlich zur elektromagnetischen Kraft auch der  starken Kraft, bei veränderlichen Naturkonstanten denkt man insbesondere an Änderungen in der relativen Stärke dieser Kräfte, und dies hätte wiederum einen Einfluss auf die Massen der beteiligten Teilchen.

Die Masse des Elektrons bestimmt die Frequenz der optischen Atomuhren, die Protonenmasse erscheint in der Frequenz der Caesium-Uhr über die Eigenschaften des Atomkerns. Bei der Entwicklung der Atomuhren wurden die Caesium-Uhr und die Ytterbium-Uhr an der PTB in den letzten Jahren immer wieder und mit zunehmender Genauigkeit verglichen. Zurzeit gehören sie zu den genauesten Atomuhren im Mikrowellen- bzw. im optischen Frequenzbereich. Aus diesen Daten konnten die Metrologen  jetzt ableiten, dass das Massenverhältnis von Proton und Elektron keine nachweisbare Veränderung zeigt, bis auf eine relative Unsicherheit von nur wenigen 10-16 pro Jahr. Damit wäre selbst über das Alter unseres Sonnensystems von etwa fünf Milliarden Jahren extrapoliert nur eine Änderung dieser Naturkonstante um einen millionstel Teil möglich, und sie kann weiterhin als universelle und stabile Größe betrachtet werden.

PTB / OD

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