Wer kennt das nicht: Man hat etwas falsch gemacht und trotzdem etwas dabei gelernt. Oder an etwas gezweifelt, das alle für selbstverständlich hielten und dadurch einen Fortschritt erzielt. Auch in der Wissenschaft sind Abweichungen und merkwürdige Messergebnisse das Salz in der Suppe. Zunächst skurril erscheinende Widersprüche zwischen Theorie und Experiment haben die Physik immer wieder entscheidend vorangebracht – solchen Gamechangern widmet sich das Modul "That's funny!".
PRISMA+ Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler suchen mit hochpräzisen Experimenten und Rechnungen nach solchen Unstimmigkeiten und Merkwürdigkeiten im Zusammenhang mit dem Standardmodell, und seien sie noch so klein. Die Vermessung des Protons ist eine solche Merkwürdigkeit – je nach Messmethode ist das Proton unterschiedlich groß. Wir stellen vor allem die Wasserstoff-Spektroskopie als eine der verwendeten Methoden vor – und zeigen wie man mit einem Laser ins Innere eines Atoms schauen kann. Ist das Protonradius-Rätsel der Schlüssel zu neuer Physik?
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Schluss mit Äther
Ebenso wie Schallwellen sich durch die Luft und Wasserwellen auf einer Oberfläche ausbreiten, ging die Wissenschaft fest davon aus, dass es auch für Lichtwellen ein solches Trägermedium geben muss – einen allgegenwärtigen Äther. Bis weit ins 19. Jahrhundert war man von der Existenz dieses Äthers überzeugt. Wie sollte das Licht sich sonst fortbewegen? Aufwändigste Experimente, insbesondere das berühmte Michelson/Morley Experiment, brachten aber keine Hinweise auf einen wie auch immer beschaffenen Äther – und zeigten klar die Probleme dieser Annahme auf.
Albert Einstein kam, sah und dachte: Er warf den Äther über Bord. Den braucht es nicht, wenn, ja wenn man eines akzeptiert, das schwer zu akzeptieren scheint: Die Geschwindigkeit des Lichts im luftleeren Raum ist immer gleich groß, für alle Betrachter, und nichts kann schneller sein als das Licht! Weitere Infos
Wer hat das bestellt? – Die Entdeckung Myons
Mitte der 1930er-Jahre war die Welt der kleinsten Teilchen noch klein und überschaubar. Mit Protonen, Neutronen und
Elektronen konnte die Physik sehr gut beschreiben, was man beobachtete. Als Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer bei der Untersuchung von kosmischer Strahlung 1936 ein Teilchen entdeckten, das sich wie ein Elektron verhielt, aber rund 200-mal schwerer – offensichtlich also kein Elektron war – war die Verwirrung groß.
"Who ordered that?" ("Wer hat das bestellt?"), soll der Physiker Isidor Isaac Rabi daraufhin ausgerufen haben, denn das neue Teilchen, das Myon, passte so gar nicht in das bestehende Modell. Doch das war erst der Anfang der Entdeckung eines regelrechten Teilchenzoos, in den erst Murray Gell-Mann wieder Ordnung brachte: Seine Sortierung aller Teilchen mündete schließlich in das heute noch gültige Standardmodell der Teilchenphysik.
Das ganze Teilchenabenteuer zum Nachlesen
Frau Wu zerbricht die Physik
Die Physikerin Chien-Shiung Wu widerlegte 1956 mit ihrem Experiment die Annahme, dass in der Natur eine bestimmte grundlegende Symmetrie gilt – die Raumspiegelsymmetrie, auch als Parität (P) bezeichnet. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die sogenannte "Schwache Wechselwirkung" innerhalb der Atome die Parität verletzt.
Dabei war die P-Verletzung nur der Anfang, später wurden auch umfassendere und kombinierte Symmetrien widerlegt. Für die umfassendste Symmetrie, das CPT-Theorem (charge, parity, time / dt. Ladung, Parität, Zeit) gilt dagegen, dass sie stets erhalten bleibt, und auch die Quantenelektronendynamik (QED) funktioniert nur unter dieser Prämisse. Aber wer weiß …?? Weitere Infos
Sämtliche bekannten Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen – und doch sind viele Eigenschaften dieser allgegenwärtigen Nukleonen noch nicht verstanden. So gibt insbesondere der Radius des Protons seit einigen Jahren Rätsel auf: Im Jahr 2010 sorgte eine neue Messung des Protonradius mithilfe der Laserspektroskopie von myonischem Wasserstoff für großes Aufsehen. In diesem "besonderen" Wasserstoff ist das Elektron in der Hülle des Atoms ersetzt durch seinen schweren Verwandten, das Myon: So lässt sich die Genauigkeit der Messung erheblich steigern.
Die Forscherinnen und Forscher ermittelten einen deutlich kleineren Wert, als er aus entsprechenden Messungen an "normalem" elektronischem Wasserstoff und der Bestimmung des Protonradius aus Elektron-Proton-Streuexperimenten bekannt war. Lassen sich in der beobachteten Diskrepanz Bausteine einer neuen Physik jenseits des Standardmodells finden? Oder handelt es sich lediglich um systematische Unsicherheiten der verschiedenen Messmethoden? PRISMA+ Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nähern sich der Lösung des Protonradius-Rätsels von vielen Seiten: Ihr Ziel ist es, noch genauere Experimente durchzuführen, und zusätzlich mithilfe theoretischer Berechnungen Licht ins Dunkel zu bringen – wie Randolf Pohl im Rahmen der öffentlichen Vortragsreihe "Physik im Theater" erklärt.
- Was ist das Proton?
a. ein Bestandteil des Atomkerns
b. der schwere Verwandte des Elektrons
c. ein Elementarteilchen - In welcher Größenordnung bewegt sich der Radius des Protons?
a. Femtometer
b. Pikometer
c. Nanometer