Physik Journal 3 / 2011

Mitten in dem zehn Kilometer langen Autobahntunnel der italienischen A24, zwischen Teramo und L’Aquila und rund hundert Kilo­meter von Rom entfernt, leuchten plötzlich orangefarbene Warnleuchten auf, die den fließenden Verkehr darauf vorbereiten sollen, dass unser Kleinbus abbremst. Dem Schild „INFN solo autorizzati“ folgend, biegen wir rechts in einen Seitenstollen ein und passieren eine Schranke sowie ein großes Stahltor. Als der Wagen an einer Kabine mit Sicherheitspersonal anhält, schließt sich das Tor wieder. Schlagartig verschwindet das Rauschen des Straßenverkehrs, Stille kehrt ein. Gemeinsam mit Technikern und Physikern, die der Kleinbus an ihren Arbeitsplatz gebracht hat, befinde ich mich im größten Untergrundlabor der Welt, dem vor 30 Jahren gegründeten Laboratori Nazionali del Gran Sasso des italienischen Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Hier unten, abgeschirmt von der kosmischen Strahlung durch 1400 Meter dickes Gestein der fast 3000 Meter hohen Abruzzen, jagen internationale Kollaborationen von Physikern äußerst flüchtige Teilchen wie Neutrinos oder versuchen, extrem seltene Reaktionen nachzuweisen. Damit tasten sie sich in die Terra incognita jenseits des Standardmodells vor. Ihr Ziel: einige der großen Fragen der Teilchenphysik zu beantworten. Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen? Welche anderen Eigenschaften haben die drei bekannten Neutrinotypen? Gibt es Dunkle ­Materie und wenn ja, woraus ­besteht sie? ...

Vor fast 200 Jahren beobachtete Joseph von Fraunhofer schmale dunkle Streifen im Spektrum des Sonnenlichts. Diese entstehen, wenn die Sonnen- sowie die Erdatmosphäre die von der heißen Sonne emittierte Schwarzkörperstrahlung absorbieren. Einige dieser Linien konnte Balmer 1885 der nach ihm benannten Serie von Spektrallinien im Wasserstoff zuordnen, z. B. eine Absorptionslinie bei 410 nm, die dem Übergang zwischen den Hauptquantenzahlen n = 2 nach n = 6 entspricht und damit einen ersten Hinweis auf höhere Energieniveaus der Atome gab. Mit der phänomenologischen Beschreibung der Wasserstoffserien durch Johannes Rydberg hatten dann auch die hochangeregten Zustände (n > 10) ihren Namenspatron gefunden. Der spektroskopische Fingerabdruck hochangeregter Atome und Moleküle liefert nicht nur detaillierte Informationen über die Sonne, sondern auch über viel fernere Objekte wie interstellare Wolken und Plasmen. Ein weiteres Beispiel für die Bedeutung dieser exotischen Zustände ist der direkte Nachweis der Feldquantisierung des elektromagnetischen Feldes durch die kohärente Kopplung von hochangeregten Atomen, kurz Rydberg-Atomen, an das Vakuumfeld eines Mikro­wellenresonators. Damit gelang es eindrucksvoll, die Vorhersagen der Quantenelektrodynamik zu bestätigen [1]....

Das Vakuum der modernen Physik ist keinesfalls vollkommen leer, denn dank der Unschärfe geborgter Energie blitzen selbst im leeren Raum immer Teilchenpaare auf, um rasch wieder zu vergehen. Im Mittel ist und bleibt das Vakuum dennoch leer. Aber stimmt das wirklich? Leerer Raum hat immerhin noch etwas: Raum. Und Raum, samt Zeit, ist nach der Allgemeinen Relativitätstheorie kein absolut gegebenes Gerüst und immun gegenüber physikalischem Geschehen, sondern selbst ein wandelbares Objekt. Im expandierenden Universum dehnt sich der Raum aus, gemäß Einsteins Gleichung der Verteilung der Materie gehorchend. Im Inneren Schwarzer Löcher kann sich der Raum dagegen gänzlich zusammenziehen. Die Zeit vergeht mal schneller, mal langsamer, je nachdem, wie groß das Gravitationspotential am Ort einer Messung im Vergleich zu dem an der Signalquelle ist. Raum und Zeit werden durch die Materie − oder auch allein durch sich selbst − verbogen und gekrümmt. Der Raum mit seinem Volumen, seiner Expansion und seinen geometrischen Eigenschaften ist damit als physikalisches Objekt anzusehen, ebenbürtig mit, wenn auch ganz verschieden von der Materie. ...

Die im Artikel erwähnte Tabelle finden Sie hier.