Wie konstant sind Naturkonstanten?

Präzisisionsmessungen mit Atomuhren ergeben eine Obergrenze für eine mögliche zeitliche Änderung

Ändern sie sich oder ändern sie sich nicht? Diese Frage treibt Astrophysiker und Theoretiker seit vielen Jahren um, wenn die Rede auf Naturkonstanten kommt. Sind Lichtgeschwindigkeit, Elementarladung oder Planckkonstante vom Anbeginn der Zeiten mit sich identisch geblieben – wie die Behauptung, Naturkonstante zu sein, vermuten lässt – oder nagt auch an diesen ehernen Größen der Zahn der Zeit? Physiker der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig haben jetzt mit Hilfe von Atomuhren und optischen Frequenznormalen eine zeitliche Änderung der Feinstrukturkonstanten alpha aufzuspüren versucht. Das Ergebnis: Die Wissenschaftler konnten mit ihren Präzisionsmessungen keine Variation feststellen. Sollte sich alpha dennoch zeitlich ändern, dann lediglich um weniger als einen Bruchteil von 2 · 10 hoch -15 pro Jahr und damit unterhalb der heute erreichbaren Messgenauigkeit. In der kommenden Ausgabe des Fachjournals Physical Review Letters werden die Ergebnisse präsentiert.

Ein Experiment, um eine Veränderung einer Naturkonstanten tatsächlich zu beobachten, sieht im Prinzip so aus: Miss eine Naturkonstante heute, warte eine Weile, miss die Naturkonstante erneut und schau nach, ob sich das Messergebnis verändert hat. Je kürzer die verstrichene Zeit zwischen den beiden Messungen, um so ähnlicher werden sich die beiden Messungen sein und um so genauer muss der Experimentator hinsehen, um eine Änderung überhaupt erkennen zu können – denn Naturkonstanten „leben“ auf einer Zeitskala, die sich in Milliarden von Jahren misst. Schnelle Veränderungen innerhalb weniger Jahre sind da nicht zu erwarten. Die PTB-Physiker aus der Gruppe um Ekkehard Peik haben sich daher Zweierlei genommen: Erstens etwas Zeit – genauer gesagt: drei Jahre -, um ihre Messungen durchzuführen, und zweitens die präzisesten Messgeräte, die weltweit zur Verfügung stehen: Atomuhren und optische Frequenznormale.

Atomuhren und andere Frequenznormale basieren darauf, dass Elektronen eines Atoms von einem Energieniveau auf ein anderes wechseln können. Soll es ein höheres Energieniveau sein, muss das Elektron mit einer Portion Energie angeschubst werden. Solche elektronischen „Sprünge“ haben sich Peik und seine Kollegen angesehen, da sich die Sprunghöhe verändern würde, sollte die Feinstrukturkonstante alpha sich als wankelmütig erweisen. Ein Ytterbium-Ion in einer elektrischen Falle diente als Messobjekt und die Mikrowellenfrequenz aus einer Cäsium-Atomuhr als Referenz. Bei den drei Jahre auseinander liegenden Messungen konnten keine signifikanten Änderungen dieser „elektronischen Sprunghöhen“ beobachtet werden. Sollte es dynamische Entwicklungen der Konstanten in der Frühzeit des Universums gegeben haben, so sind diese in unserer Zeit offensichtlich so weit abgeklungen, dass sie an der Grenze heutiger Messpräzision nicht nachweisbar sind.

E. Peik et al.: New limit on the present temporal variation of the fine structure constant. Phys. Rev. Lett. 93 (17), 22.10.2004

Weitere Informationen:

Dr. Ekkehard Peik,
PTB-Arbeitsgruppe „Optische Uhren“
Telefon: (0531) 592-44 12,
E-Mail: ekkehard.peik@ptb.de