Der mysteriöse Wert der Konstanten
Illustration, wie die Schwerkraft einer Galaxie die Raumzeit gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie krümmt (Bild: Science Library).
Wenn wir den Nachthimmel betrachten, fragen wir uns oft, warum das Universum so existiert, wie es existiert: vom Leben über Sterne und Planeten bis hin zum Menschen. Nur wenige wissen jedoch, dass alles im Universum von einer speziellen Gruppe von Zahlen gesteuert wird, den sogenannten fundamentalen Naturkonstanten.
Diese Zahlen sind keine menschlichen Erfindungen, sondern feste Werte, die die Art und Weise beschreiben, wie Kräfte und Materie im Universum miteinander interagieren.
Beispielsweise beträgt die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer etwa 299.792.458 m/s, die Gravitationskonstante G beträgt 6,674 x 10⁻¹¹ m³/kg/s² oder die Masse eines Elektrons beträgt 9,1 x 10⁻³¹ kg…
Diese Zahlen könnten, selbst wenn sie nur geringfügig verändert würden, zu einem völlig anderen Universum oder sogar zur Existenz von Leben führen. Die große Frage ist: Warum haben diese Zahlen diese Werte? Woher kommen sie? Sind sie zufällig?
Dank der Physik können wir sehr präzise Gleichungen und Modelle konstruieren, um die Welt zu beschreiben – vom Fall eines Steins bis zur Ausdehnung des gesamten Universums. Jede Gleichung muss jedoch mit bestimmten Eingabewerten, d. h. Konstanten, „gefüttert“ werden.
Sie sind wie die „Balken“, die das Gebäude der modernen Physik stützen. Doch seltsamerweise gibt es keine aktuelle Theorie, die ihre Entstehung erklären kann. Wissenschaftler können lediglich ihre experimentellen Werte messen und sie in Modelle einbauen.
Stellen Sie sich vor, Sie simulieren die Bewegung eines Balls. Sie können die Kraft mithilfe der Newtonschen Gesetze beschreiben, müssen aber wissen, wie stark die Gravitationskraft ist. Diese Aussage lässt sich nicht aus dem Modell ableiten, sondern muss in der Realität gemessen werden.
Ebenso sind Konstanten wie die Stärke der elektromagnetischen Kraft, die Planck-Konstante oder das Verhältnis der Elementarteilchen „gegebene“ Parameter, die sich anhand der derzeit zugrunde liegenden Theorie nicht berechnen lassen.
Sind Konstanten wirklich „invariant“?
Einstein war derjenige, der die allgemeine Relativitätstheorie vorschlug, die das Konzept der Gravitationskonstante G enthält – eine unverzichtbare Größe zur Beschreibung des Grades der „Krümmung“ der Raumzeit (Foto: Getty).
Die Frage wird noch spannender, wenn Physiker fragen: Sind diese Zahlen wirklich „konstant“, das heißt, ändern sie sich nie?
Wenn sich einer dieser Punkte im Laufe der Zeit, im Raum oder unter physischen Umständen auch nur geringfügig ändert, dann bedeutet dies, dass es sich nicht um wirklich grundlegende Dinge handelt, sondern lediglich um Manifestationen einer tieferen Theorie, die die Menschheit noch entdecken muss .
Um dies zu testen, haben Wissenschaftler eine Reihe hochpräziser Experimente sowohl auf der Erde als auch im Weltraum entwickelt. Im Labor verwenden sie Atomuhren. Dabei handelt es sich um hochentwickelte Geräte, die kleinste Veränderungen in den Schwingungen von Atomen erkennen und die zeitliche Veränderung von Konstanten wie der Feinstrukturkonstante (FSC) verfolgen können.
Bislang konnte mit der Messgenauigkeit eine Veränderung von 1 Teil pro Milliarde pro Jahr festgestellt werden, es wurden jedoch keine signifikanten Veränderungen festgestellt.
Auf astronomischer Seite beobachteten Forscher das Licht von Quasaren – extrem hellen Himmelskörpern, die Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Darüber hinaus analysierten sie die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB). Dabei handelt es sich um die Überreste von Licht aus der Zeit der Entstehung des Universums.
Die Annahme ist, dass das Licht weit entfernter Himmelskörper anders erscheinen würde, wenn sich die Konstanten in der fernen Vergangenheit geändert hätten. Beobachtungen haben jedoch die seltsame Stabilität dieser Konstanten gezeigt.
Es ist wichtig zu beachten, dass wir nicht hundertprozentig sicher sein können, dass sie konstant sind. Selbst wenn keine Veränderung festgestellt wurde, bleibt bei jeder Messung ein gewisses Maß an Unsicherheit bestehen. Daher besteht immer die Möglichkeit, dass sich die Konstanten zwar ändern, aber mit einer zu geringen Geschwindigkeit, um sie zu erkennen.
Das Universum birgt noch viele Geheimnisse
Die Naturkonstanten sind nicht bloß leere Zahlen, sie bilden die Grundlage für die gesamte Existenz des Universums. Sie bestimmen, wie Kräfte interagieren, wie Atome entstehen, wie Sterne verbrennen und wie sich Leben entwickelt.
Wenn diese Zahlen nur um einen Bruchteil abweichen würden, wäre das Universum wahrscheinlich so leer, chaotisch oder völlig leblos, wie wir es kennen.
Doch die Wissenschaft hat noch immer keine Antwort auf die Frage, warum sie so sind, wie sie sind. Sind die Konstanten das Ergebnis des Zufalls? Oder sind sie Ausdruck einer tieferen kosmologischen Theorie, die unser derzeitiges Verständnis übersteigt?
Wir haben die Antworten vielleicht noch nicht, aber wenn wir weiterhin Fragen stellen und mehr über sie lernen, kann die Menschheit möglicherweise zu einem wichtigen Wendepunkt in der modernen Physik führen – auf die gleiche Weise, wie die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik die Wissenschaft des 20. Jahrhunderts erschüttert haben.
Quelle: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/thu-gi-am-tham-chi-phoi-ca-vu-tru-20250525082833517.htm
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