In unserem Alltag und in vielen Berufen spielt Präzision eine wichtige Rolle. In Forschung und Technologie hat eine immer größere Präzision unser Wissen über die Welt wieder und wieder entscheidend vorangebracht. Und doch ist jede Messung, jede Berechnung immer auch mit einer Unsicherheit behaftet – einem Fehler.
Doch damit nicht genug: Denn es gibt unterschiedliche Arten von Fehlern beziehungsweise von Präzision. Wir veranschaulichen in diesem Modul anhand einer Dartscheibe den Unterschied zwischen statistischen und systematischen Fehlern. Letztere sind das eigentliche harte Brot. Ihnen auf die Spur zu kommen, ist oft gar nicht so einfach, wie Sie in der Ausstellung anhand scheinbar normaler Würfel ausführlich testen können.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind sich bewusst, dass es in ihren Experimente und Rechnungen immer Fehler und Unsicherheiten gibt. Deshalb investieren sie viel Zeit darin, Fehlerquellen zu identifizieren und zu minimieren. Hierin steckt oft sehr viel mehr Arbeit als in der eigentlichen Messung. Der Lohn: Durch die Minimierung von Fehlern kann die Wissenschaft inzwischen in vielen Bereichen eine unglaubliche Präzision erreichen. Das gilt ganz besonders für unsere Forschung bei PRISMA+ – wie Forscherinnen und Forscher auf unterhaltsame Art und Weise in diesem Modul berichten. Lernen Sie hier zwei unserer PRISMA+ Minds of Mainz kennen:
Weiterführende Infos:
Ein Beispiel gefällig?
Bei manchen Menschen stellt sich beim Blutdruckmessen der sogenannte "Weißkitteleffekt" ein: Wenn man weiß, dass der Blutdruck gerade durch die Person im weißen Kittel gemessen wird, steigt er garantiert an – die Gegenwart des Arztes verfälscht die Messung.
Im Folgenden finden Sie ausführliche Informationen zu oben genannten Experimenten, die alle auf der möglichst genauen Messung von Frequenzen beruhen.
- Wasserstoffspektroskopie: Blick ins Wasserstoffatom
Die Präzisionsspektroskopie von Wasserstoff dient dem Test der Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Zustände, der Suche nach "neuer Physik" jenseits des Standardmodells und der Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten wie der Rydbergkonstante. Hierbei wird eine erstaunliche Präzision erreicht: "Den 1S-2S-Übergang in atomarem Wasserstoff und Deuterium haben wir in der Arbeitsgruppe von Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch am MPI für Quantenoptik in Garching bei München mit einer relativen Genauigkeit von einigen 10-15 bestimmt", erklärt Randolf Pohl, Professor für experimentelle Atomphysik am Exzellenzcluster PRISMA+.
mehr zur Forschung der AG Pohl [in englischer Sprache]
- Project 8: Neutrinos auf der Waage
Das "Project 8"-Experiment will mithilfe einer neu entwickelten experimentellen Technik, der sogenannten Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy, erstmals eine nicht verschwindende Neutrinomasse beobachten. Dabei geht es darum, das Energiespektrum der im Beta-Zerfall von Tritium zusätzlich entstehenden Elektronen mit möglichst hoher Präzision zu messen, um Abweichungen aufgrund einer möglicherweise vorhandenen Neutrinomasse zu finden. Die Energiemessung läuft über die hochpräzise Messung der Umlauffrequenz der Elektronen in einem Magnetfeld.
Damit das Experiment funktioniert, müssen Wasserstoff-Moleküle - und später (Tritium-)Wasserstoff-Moleküle - zunächst in Atome aufgespalten werden. Die Mainzer Gruppe ist führend bei der Entwicklung solcher atomarer Quellen und betreibt dazu in Mainz einen Teststand.
mehr zu Project 8 bei PRISMA+ [in englischer Sprache]
- Frequenzmessung bei der Suche nach Dunkler Materie
Einige der zurzeit vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie sind extrem leichte bosonische Teilchen wie Axionen, axionähnliche Teilchen oder sogar Dunkle Photonen. PRISMA+- und HIM-Forschungsgruppen um Dmitry Budker entwickeln aktuell zahlreiche Experimente, um anhand präziser Frequenzmessungen nach diesen sehr leichten Teilchen zu suchen.
mehr zur Forschung der AG Budker [in englischer Sprache]
- Das Myon g-2-Experiment: Das Standardmodell auf dem Prüfstand
Eine extrem präzise Frequenzmessung ist auch Grundlage des Myon g-2-Experiments.
mehr dazu im Themenmodul "Alles streut"
Wer steckt eigentlich hinter der PRISMA+-Forschung? Hier finden Sie eine Übersicht.
- Eine 20 Kilogramm schwere Metallkugel wird zehn Mal hintereinander mit derselben Waage gewogen, die Waage zeigt jedes Mal 23 Kilogramm an. Zeigen die Messwerte
a. eine kleine Streuung und eine kleine Abweichung
b. eine kleine Streuung, aber eine große Abweichung
c. eine große Streuung, aber eine kleine Abweichung
d. eine große Streuung und eine große Abweichung - Wie lassen sich statistische Fehler minimieren?
a. durch häufiges Messen
b. durch gründliches Überprüfen der Messinstrumente