Kwaku Ananse

Wenn die Physik etwas über die Natur herausgefunden hat, dann gießt sie dieses Wissen zumeist in eine oder mehrere Gleichungen, mit denen die Zusammenhänge mathematisch dargestellt werden können. Einer dieser Zusammenhänge ist das Newtonsche Gravitationsgesetz:


M und m sind die Massen zweier Körper, r ihr Abstand und F die Kraft, mit der sich die beiden Körper wechselseitig anziehen. Dabei sind die verwendeten Einheiten, in der die Größen (hier Kraft, Masse und Länge) gemessen werden, ziemlich beliebig. Zum Beispiel wurde das Meter als der 40millionste Teil des Erddurchmessers festgelegt, zu einer Zeit, als man noch geglaubt hat, wir würden auf einer Kugel leben. Tatsächlich hat die Erde aber mehr die Form einer Kartoffel. Wenn der Asteroid, der vor 4,5 Milliarden Jahre die Erde traf und zur Entstehung des Mondes beitrug, eine andere Größe gehabt hätte oder unter einem anderen Winkel eingeschlagen wäre, dann hätte die Erde heute eine andere Größe. Und wenn man auch dann den 40millionstel Teil des Erddurchmessers als Metermaß verwendet hätte, wäre das Meter heute anders lang.

Um diese Willkür in der Größenfestlegung zu eliminieren (denn über die Einheiten von Masse und Kraft gibt es ähnlich kuriose Geschichten), enthalten die meisten physikalischen Gleichungen Konstanten. In der obigen Gleichung ist es die Gravitationskonstante G mit dem ziemlich krummen Wert von


Mit Hilfe des Gravitationsgesetzes kann man zum Beispiel die Bahn der Erde um die Sonne berechnen. Man misst die Massen von Erde und Sonne, man misst den Abstand zwischen Erde und Sonne, man weiß den Wert der Gravitationskonstanten, man berechnet die zwischen beiden Körpern wirkende Kraft und mit ein bisschen mehr Mathematik bekommt man die Bahn der Erde um die Sonne heraus. Woher weiß man eigentlich den Wert der Gravitationskonstanten?

Letztlich steckt hier die Erkenntnis, dass bei einer Variation von Größen einer Gleichung sich andere Größen in dieser Gleichung ändern, andere konstant bleiben. Also wurden diese Konstanten auch durch Messung bestimmt und haben sich dabei als konstant erwiesen. Mit Hilfe der physikalischen Gesetze wird nicht nur die Gegenwart beschrieben, sondern auch in Vergangenheit und Zukunft extrapoliert. Unsere Vermutungen über diese beiden Zeiten basieren darauf, dass unser in der heutigen Zeit gewonnenes Wissen auch darauf übertragbar ist - die Konstanten tatsächlich Konstanten sind.

Eine der Konstanten, deren Konstantheit inzwischen bezweifelt wird, ist die sogenannte Feinstrukturkonstante. Bereits dem Wikipediaartikel kann man entnehmen, dass sie eine ziemlich zentrale Rolle in der Physik spielt, weil sie die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung festlegt. Das klingt zunächst ziemlich abstrakt, aber wenn man sich ihre Definition ansieht, dann bekommt man auch ohne großes physikalisches Wissen eine Ahnung von ihrer Bedeutung:


In der Gleichung werden die Vakuumlichtgeschwindigkeit c₀ (Informationsübertragung), die Elementarladung e (das Elektron), das Plancksche Wirkungsquantum h (Quantenphysik) und die elektrische Feldkonstante ε₀ (Elektromagnetismus) verwendet. Ändert sich eine dieser ebenfalls konstanten Größen, dann ändert sich auch der Wert der Feinstrukturkonstante, und vice versa.

Es gibt einige Beobachtungen, die einen anderen Wert der Feinstrukturkonstante vor einigen Milliarden Jahren für möglich halten lassen. So etwas wird zum Beispiel in der Geo 6/2008 im Artikel "..und wenn das Universum wankte" beschrieben. Einen anderen Hinweis liefert der Naturreaktor Oklo. Das ist eine uralte Uranlagerstätte, in der es vor 2 Milliarden Jahren eine stabile und über längere Zeit anhaltende Kettenreaktion gegeben haben soll. Die Zusammensetzung der Spaltprodukte kann am besten erklärt werden, wenn man von einem geringfügig anderen Wert der Feinstrukturkonstante ausgeht.

Was wären denn die Konsequenzen, wenn einige Konstanten als nicht konstant entlarvt werden?

• Zunächst mal sind dann alle anderen, über Gleichungen mit ihnen verbunden Naturkonstanten ebenfalls nicht konstant, sondern variabel. Zum Beispiel spekuliert Ray Kurzweil über die Konsequenzen einer nichtkonstanten Lichtgeschwindigkeit: Die Lichtgeschwindigkeit überwinden. (Seine Schlussfolgerungen halte ich für falsch, denn aus der Nichtkonstantheit der Feinstrukturkonstante über lange Zeiträume folgt ja nicht, dass zu jeder gegebenen Zeit die aktuell gültige Lichtgeschwindigkeit keine obere und unüberschreitbare Grenze darstellt.)
• Heutige Gleichungen, in denen die Konstanten als konstant gelten, sind Sonderfälle allgemeinerer Gesetze. Heutige Annahmen über weit von uns entfernte Orte oder über weit zurückliegende Zeiten sind falsch, zum Beispiel unser Modell des Urknalls.
• Die Quantentheorie stellt noch nicht die bestmögliche Beschreibung der Materie im Kleinen dar, Lee Smolins Intuition und seine Bauchschmerzen bzgl. der Quantentheorie bestehen zu Recht: Die Quantenmechanik ist keine endgültige Theorie. (Wenn auch vielleicht aus anderen Gründen, als er denkt.)

Was mich immer wieder fasziniert, ist, wie sich die Physik selbst in Frage stellt und dadurch weiterentwickelt. Theorien geben Blaupausen für Experimente ab, deren Ergebnisse führen zur Präzisierung alter und zur Entwicklung neuer Hypothesen. Anderswo wird wider besseres Wissen an jungfräulicher Geburt festgehalten.

Kategorie: Physik