Ludwig-Maximilians-Universität München
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Theodor Hänsch zum 75.

Leidenschaft für Präzision

München, 28.10.2016

Der Münchner Nobelpreisträger über Kreativität im Labor, Platinenlöten mit Steve Jobs und die Geheimnisse des exakten Messens.

Professor Theodor W. Hänsch

Professor Hänsch, in Ihren neuesten Arbeiten stellen Sie eine fundamentale Messgröße der Physik in Frage. Um was geht es?
Hänsch:
Schon vor ein paar Jahren konnten wir zeigen, dass der Radius des Protons, eines Bausteins aller Atome, vier Prozent kleiner ist als gedacht. Dabei galt diese wichtige Größe als längst bekannt. Jetzt deutet sich an, dass auch das Deuteron, der Atomkern des Schweren Wasserstoffes, kleiner ist.

Was steckt dahinter?
Hänsch:
Ja, wenn wir das so genau wüssten. Ich kann auch nur spekulieren. Es darf nicht sein, dass in einem Wasserstoffatom mit einem Elektron eine andere Kerngröße herauskommt als in einem Atom mit einem Myon. Beide müssen den Gesetzen der Quantenelektrodynamik folgen. Gäbe es einen Unterschied, würde es das ganze Gedankengebäude der Quantenelektrodynamik in Frage stellen. Natürlich können wir irgendwo einen Fehler gemacht haben.

Aber den konnte Ihnen bislang niemand nachweisen.
Hänsch: Nein, und wir glauben inzwischen, dass unsere Experimente mit Myonen vielleicht sogar recht haben und das Proton wirklich kleiner ist als lange gedacht. Dann ist nur die Frage, warum man vorher einen größeren Wert bestimmt hat. Es ist relativ trickreich, die Größe des Protons zu messen. Die ersten Messungen wurden durch Streuung stark beschleunigter Elektronen am Atomkern durchgeführt. Später haben wir gelernt, optische Spektrallinien im Wasserstoff so genau zu vermessen, dass man mit Hilfe der Theorie den elektrischen Ladungsradius des Kerns bestimmen kann. Zwei Unbekannte spielen dabei die zentrale Rolle, die Rydbergkonstante, eine Naturkonstante, und die Größe des Kerns.

Beide Größen sind fundamental in der Physik.
Hänsch: Ja. Deshalb werden wir den Protonenradius durch genauere spektroskopische Messungen am normalen Wasserstoff nochmal bestimmen, um vielleicht einem früheren Fehler auf die Spur zu kommen. Es kann sein, dass ein Widerspruch bleibt, vielleicht sind wir auch einem wichtigen Phänomen auf der Spur.

Aber Sie halten es mittlerweile für möglich, dass diese vier Prozent Differenz richtig sind?
Hänsch: Im Augenblick würde ich darauf wetten, dass der Protonenradius wirklich vier Prozent kleiner ist und die alten Messungen einen Fehler haben.

Das wäre eine Sensation, oder?
Hänsch: Wenn es wirklich den Unterschied gibt, wäre das eine Sensation. Solche Entdeckungen sind sehr selten. Nun sind die Theoretiker gefragt. Theoretiker sind sehr fantasiereich. Es gibt jetzt schon ungefähr 100 Publikationen, die das zu erklären versuchen. Manche spekulieren über neue Physik jenseits des Standardmodells.

Ist eine neue Physik denn zu erwarten?
Hänsch: In der Physik muss man bescheiden sein. Wir kennen bisher überhaupt nur wenige Prozent der Materie. Es gibt die dunkle Materie, von der kein Mensch weiß, was es ist. Es wäre überraschend, wenn es da nicht noch verborgene Zusammenhänge gäbe. Es gibt zwei Wege, diese zu entdecken. Der eine ist, mit riesigen Beschleunigern zu arbeiten wie am Cern in Genf, wo man zu immer höheren Energien vorstößt. Unser Weg ist, mit kleinen Energien und relativ kleinen Aufbauten immer genauer zu messen.

Folgen Sie damit letztlich dem Rat Ihres Lehrers, des Nobelpreisträgers Arthur Schawlow: „Miss niemals etwas anderes als Frequenzen!“?
Hänsch: Ja. Wie wir Frequenzen messen, ist letztlich ein Zählvorgang. Man braucht einen Laserstrahl, der sehr gleichmäßig schwingt, und muss im Prinzip nur abzählen, wie viele Schwingungen pro Sekunde es sind. Inzwischen haben wir gelernt, sogar den Bruchteil einer Schwingung zu zählen, wir können Lichtfrequenzen auf 20 Dezimalstellen vergleichen.

Wie hat sich die Laserspektroskopie seit Ihren Anfängen verändert?
Hänsch: Anfangs konnten wir nur die Wellenlänge eines Lasers messen. In wenigen großen Labors entstanden später komplexe „Frequenzketten“, mit denen man die Frequenz von Laserlicht bei einigen ausgewählten Spektrallinien messen konnte. Die Apparaturen waren allerdings so groß, dass sie sich wie bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig über mehrere Gebäude erstreckten. Wir haben längere Zeit einen speziellen Helium-Neon-Laser als Vergleichsnormal mit dem Auto zwischen Braunschweig und München hin- und hertransportiert, um die Genauigkeit der großen Frequenzketten in unserem Labor zu nutzen. Heute hat man Messgeräte nicht viel größer als eine Schuhschachtel. In diese schickt man durch eine Lichtleiterfaser ein unbekanntes Laserlicht und kann die Frequenz auf einem Bildschirm auf beliebig viele Dezimalstellen ablesen.

Sie meinen den Frequenzkammgenerator, für den Sie den Nobelpreis bekommen haben. Auf seiner Basis entwickeln Sie ständig neue Spektroskopiemethoden. Was sind Ihre neuesten Entwicklungen?
Hänsch: Wir können die sehr große Zahl von optischen „Zinken“ eines Frequenzkamms nutzen, um komplexe Spektren von Molekülen sehr genau und schnell zu charakterisieren. Es wäre sehr interessant, Proteine unter dem Mikroskop unterscheiden zu können, ohne sie anzufärben, und das gleichzeitig so schnell, dass man die Substanzen bildgebend erkennen kann. Wir überlegen gerade, ob man solche Frequenzkammspektrometer miniaturisieren kann, so dass sie auf einen Chip passen.

Was treibt Sie an? Haben Sie eine Leidenschaft für Präzision?
Hänsch: Das kann man sagen. Es hat mich immer fasziniert, dass man Dinge extrem präzise messen kann. Das hat etwas Ästhetisches. So sehen wir, dass unsere Theoriegebäude nicht nur Luftschlösser sind.