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Physik

Gestern hat die Kollaboration um das LIGO-Experiment bei einer Pressekonferenz bekannt gegeben, dass erstmals Gravitationswellen direkt gemessen worden sind. Die Stimmung unter Physikerinnen und Physikbegeisterten, von denen zweifellos viele überall auf der Welt in Grüppchen die Übertragung verfolgt haben, erinnerte an die Verkündung der Higgs-Entdeckung vor fast vier Jahren. Das frei zugängliche Paper der Wissenschaftler bei Physical Review Letters, einer der wichtigsten Adressen für physikalische Entdeckungen, hat stundenlang sogar den Webserver des Verlags lahmgelegt. Der reagierte souverän und lagerte die entscheidenden Graphen kurzerhand auf Twitter aus:

Der seinerzeit 83-jährige Peter Higgs sagte 2012 am CERN, dass er nicht gedacht hätte, die Theorie des Higgs-Bosons noch in seiner Lebenszeit bestätigt zu sehen. Nun hat Albert Einstein nicht dasselbe Glück, doch es gibt auch diesmal einen ähnlich spektakulären Fall.

Wie der Physiker und Leiter des GEO600-Experiments Karsten Danzmann bei einer Pressekonferenz in Hannover erzählte, hat Heinz Billing, Pionier für den Aufbau von Gravitationswellen-Experimenten, einst erklärt, er wolle „so lange am Leben zu bleiben, bis der Nachweis gelungen ist“. Verständlich, denn er hat unter anderem dafür gesorgt, dass mit GEO600 viele Messtechniken entwickelt wurden, die schließlich in den LIGO-Detektoren die erfolgreiche Entdeckung ermöglicht haben. Außerdem hat er sein Versprechen gehalten: Geboren im Jahr 1914, kurz bevor Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie überhaupt veröffentlichte, hatte Heinz Billing nun mit 102 Jahren die Gelegenheit dazu.

Worin besteht die Sensation?

Aber Hand aufs Herz: Dass die Allgemeine Relativitätstheorie bestätigt wird, ist schon ein bisschen so, als wenn Bayern München Meister wird. So aufregend einzelne Spiele sein können, das Resultat kommt einfach immer wieder! Die erste Bestätigung der Vorhersagen der Theorie gelang schon 1919 und verschaffte Einstein plötzlichen Weltruhm. Seitdem haben Physiker Atomuhren mit Flugzeugen um die Welt geflogen, haben durch Schwerkraft verzerrte Bilder im All beobachtet und die relativistische Zeitverzerrung der GPS-Satelliten korrekt berechnet.

Und nun, fast genau 100 Jahre nach der Veröffentlichung der ART, wurden die von ihr vorhergesagten Gravitationswellen erstmals direkt gemessen (wobei es durchaus vorher überzeugende Hinweise auf ihre Existenz gab). In der Physik zweifelt niemand mehr ernsthaft daran, dass die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zutreffend sind. Zugegeben: Sie ist wahrscheinlich unvollständig, weil sie nicht von sich aus mit der Quantenmechanik zusammenspielt. Aber auch die Newtonschen Gesetze wurden durch Einsteins Arbeit nicht widerlegt, sondern entscheidend erweitert. Wenn es eines Tages eine Lösung für die Frage gibt, wie Quantenmechanik und Gravitation zusammenhängen, wird die ART trotzdem eine enorm nützliche, präzise und für über 100 Jahre unübertroffene Beschreibung des Universums bleiben.

Ist also Bayern bloß wieder Meister geworden? Mitnichten! Die Sensation liegt darin, was die Entdeckung für die Astronomie bedeutet.

Astronomie: Die Wissenschaft des Hinguckens

In gewisser Weise könnte man meinen, die Astronomie müsste die frustrierendste Wissenschaft überhaupt sein: Experimente sind praktisch unmöglich, weil man kein einziges der Untersuchungsobjekte anfassen, geschweige denn präparieren kann. Alles passiert so weit außerhalb unseres Einflusses, dass wir nur zuschauen können. Alle paar Jahre schicken wir zwar Roboter zu anderen Planeten los, aber „Experimentelle Astronomie“ ist das genausowenig, als würde man zum Bäcker laufen und behaupten, man hätte eine Europa-Rundreise gemacht.

Ein riesiges Teleskop vor einem Sternenhimmel. Aus der Kuppel schießt ein Laserstrahl in den Himmel.

Das Very Large Telescope in Chile. Mit Laser! Pew-pew! (Bild: G. Hüdepohl/ESO, CC-BY 4.0)

Gerade deshalb versteht sich die Astronomie auf das Hingucken wie kaum eine andere Wissenschaft. Linsenteleskope, Spektroskopie, Spiegelteleskope, Interferometrie, riesige Spiegelteleskope, Teleskope im Weltraum, Teleskope mit Laserunterstützung, zweidimensionale Spektroskopie, … – fast alles, was man mit Licht machen kann, hat die Astronomie schon gemacht, und dabei immer Neues über Orte herausgefunden, die keine Wissenschaftlerin jemals auch nur träumen könnte zu besuchen. Dabei kommt ihr sehr zugute, dass das elektromagnetische Spektrum nicht nur aus sichtbarem Licht besteht. Beinahe alle Wellenlängen/Frequenzbereiche werden für die Beobachtung des Universums eingespannt.

Manchmal müssen wir dafür Instrumente außerhalb der Erdatmosphäre platzieren, weil diese Teile der Strahlung aus dem All einfach schluckt. Ein Beispiel für ein solches Instrument ist das Infrarot-Teleskop Herschel, das von 2009 bis 2013 den Himmel nach Quellen für Infrarotstrahlung abgesucht hat, wie es zum Beispiel die Oberflächen kalter Körper im Sonnensystem oder die Gaswolken sich neu bildender Sterne in der galaktischen Nachbarschaft sein können. Es ist besonders schade, dass Herschel nicht mehr in Betrieb ist, weil es besonders geeignet gewesen wäre, nach dem kürzlich vorgeschlagenen neunten Planeten zu suchen.

Das Arecibo-Radioteleskop in Puerto Rico, prominent geworden durch meinen absoluten Lieblingsfilm, Contact.

Das Arecibo-Radioteleskop in Puerto Rico, prominent geworden durch meinen absoluten Lieblingsfilm Contact. (Bild: H. Schweiker/WIYN/NOAO/AURA/NSF, gemeinfrei)

Ein weiteres Beispiel sind Radioteleskope – diese riesigen Antennen, die nur mit Phantasie als astronomische Instrumente zu erkennen sind. Sie können etwa Strahlung entdecken, die von geladenen Teilchen ausgesendet wird, wenn sie extremen Magnetfeldern ausgesetzt sind. Solche Magnetfelder gibt es etwa in der Nähe bestimmter Neutronensterne, sogenannter Pulsare und Magnetare.

Eine tolle, knappe Übersicht der verschiedenen Wellenlängenbereiche und ihrer Bedeutung für die Astronomie gibt es hier in der englischsprachigen Wikipedia. Doch spannend wird es nun, wenn neben elektromagnetischer Strahlung noch andere Signale aus dem All ins Spiel kommen.

Mehr als Licht

Die erste solche Erweiterung des Horizonts der Astrophysik nahm um das Jahr 1911 ihren Anfang. Bei Ballonflügen entdeckten Physiker, dass ionisierende Strahlung in der Erdatmosphäre vorhanden war. Im Laufe der Zeit bestätigte sich die These, dass die Strahlung durch Teilchen ausgelöst wird, die ständig aus dem All auf die Erde treffen. Es war die Geburtsstunde der Astroteilchenphysik, welche diese Teilchen untersucht und etwas über die Gegenden in Erfahrung bringt, aus denen sie ausgesendet werden. Das kann zum einen die Sonne sein, die wir praktisch vor der Haustür haben, zum Anderen aber auch die Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs in einer ganz anderen Ecke des Universums.

Blick in ein Neutrino-Teleskop: Das Super-Kamiokande-Experiment in Japan. Der Gnubbel rechts ist ein Gummiboot. (Bild: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo, Lizenz: aaa)

Blick in ein Neutrino-Teleskop: Das Super-Kamiokande-Experiment in Japan. Der Gnubbel rechts ist ein Gummiboot. (Bild: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo, Lizenz: siehe hier)

Eine der jüngsten „Neueröffnungen“ der Astroteilchenphysik war das Gebiet der Neutrinoastronomie. Neutrinos sind Teilchen, die so selten in Erscheinung treten, dass sie extrem schwierig nachzuweisen sind und zumeist riesige, hochkomplexe Instrumente erforderlich machen. Im Jahr 1970 gelang es erstmals, Neutrinos aus der Sonne zu messen, und den Sprung aus unserem Sonnensystem schaffte der spektakuläre Nachweis von Neutrinos aus einer Supernova-Explosion in einer unserer Nachbargalaxien im Jahr 1987. Weil sie fast ungestört etliche Millionen von Lichtjahren zurücklegen können und dabei sogar feste Materie durchdringen, sind Neutrinos  perfekte Botschafter aus weit entfernten Regionen.

Neutrino-Observatorien gehören zweifellos zu den skurrilsten „Teleskopen“. Gigantische Wassertanks umringt von tausenden Kameras, tausende Kameras verteilt in einem Kubikkilometer antarktischem Eis oder versenkt im Mittelmeer. Konkurrenz machen ihnen bei diesem Exotenstatus nur noch die Gravitationswellen-Observatorien, von denen gestern das erste eine erfolgreiche Beobachtung vermeldet hat. Doch schauen wir zunächst darauf, welches Verhältnis zur Astronomie dieser Entdeckung zugrunde liegt.

Die Astronomie und die Allgemeine Relativitätstheorie

Die „Beziehungsgeschichte“ von ART und Astronomie ist so facettenreich, kompliziert und verblüffend, dass man sie locker in 30 bis 40 Staffeln „How I Met Your Metric“ auswalzen könnte. Flitzen wir also nur mal durch ein paar Highlights dieser Geschichte:

Smile! Die „Gesichtszüge“ dieses Galaxienclusters in einem Hubble-Foto sind verzerrte Bilder dahinter liegender Galaxien.

Smile! Die „Gesichtszüge“ dieses Galaxienclusters in einem Hubble-Foto sind verzerrte Bilder dahinter liegender Galaxien. (Bild: NASA/ESA/Hubble, gemeinfrei)

  • Einstein konnte mithilfe der ART als erster einen rätselhaften Effekt erklären, der die Umlaufbahn des Merkur um die Sonne betrifft: Da er der Sonne mit ihrer riesigen Masse vergleichsweise nahe kommt, verschiebt sich der sonnennächste Punkt seiner Umlaufbahn laufend. Diese sogenannte Periheldrehung konnte mithilfe der ART präzise berechnet werden.
  • Die Expansion des Universums, wie sie in den 1920er- und 30er-Jahren von Astronomen wie Edwin Hubble nachgewiesen wurde, lässt sich mithilfe der Einsteinschen Feldgleichungen modellieren. Ich erinnere mich noch gut, wie mich in der Kosmologie-Vorlesung die Idee der Friedmann-Lemaître-Gleichung fasziniert hat: Wie wäre es mit einer Differentialgleichung, welche die Entwicklung der gesamten Raumzeit des Universums beschreibt?
  • Der Gravitationslinseneffekt beruht auf der von Einstein vorhergesagten Tatsache, dass Massen die Raumzeit krümmen und so Licht ablenken können. Dies war nicht nur die Grundlage der allerersten unabhängigen Bestätigung seiner Theorie bei einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919, sondern beschert der Astronomie bis heute Bilder von bizarrer Schönheit.

Aber wie kann die ART helfen, nicht nur das Gesehene zu verstehen, sondern auch Neues zu sehen? Da kommen die Gravitationswellen ins Spiel.

Gravitationswellensignale als „Fenster“ ins Universum

Mitnichten wurden die Gravitationswellen nämlich einfach nur gemessen im Sinne von: „Jawoll, sie sind da.“ Man hat ein spezielles Signal gesehen, und dieses deutet unmissverständlich auf ein bestimmtes Ereignis hin: Die Kollision zweier Schwarzer Löcher.

Einer der beiden senkrechten Strahlwege eines der beiden LIGO-Detektoren (Bild: Umptanum/Wikimedia Commons, gemeinfrei)

Einer der beiden senkrechten Strahlwege eines der beiden LIGO-Detektoren (Bild: Umptanum/Wikimedia Commons, gemeinfrei)

Gravitationswellen werden immer dann ausgesendet, wenn Massen beschleunigt werden. Sie tragen quasi die Information, dass mit gewissen Massen irgendetwas passiert ist, ins Universum hinaus, und zwar mit Lichtgeschwindigkeit. Um ein beliebtes Beispiel zu bemühen: Wenn die Sonne plötzlich verschwinden würde, so würde die Erde noch acht Minuten lang um den Ort kreisen, an dem sie gewesen ist – dann erst erreichte sie mit den Gravitationswellen, die das Ereignis ausgelöst hat, die Information: Das Schwerefeld hier in der Nachbarschaft hat sich verändert. Aber selbst die Gravitationswellen eines so monumentalen Ereignisses wären zu schwach, um von unseren Instrumenten entdeckt zu werden. Nur die gewaltigsten Ereignisse, die im Rahmen der ART erklärbar sind, senden ausreichend starke Wellen aus.

Die kann man dafür wunderbar vorausberechnen: Man nehme die Einsteinschen Feldgleichungen, stecke die Informationen zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher hinein und löse die Gleichungen um zu erfahren, wie das Gravitationwellen-Signal aussehen müsste. Ganz so einfach ist es allerdings nicht: Die Gleichungen sind so kompliziert, dass es für diesen Fall keine vollständige Lösung gibt. Stattdessen lässt man Supercomputer monatelang herumrechnen, um dem tatsächlichen Ergebnis möglichst nahe zu kommen. (Das kann man dann vornehm eine „numerische Simulation“ nennen, damit es nicht so behelfsmäßig klingt.)

Und was soll man sagen! Im September haben die beiden mehrere Tausend Kilometer voneinander entfernten Gravitationswellen-Observatorien wenige Millisekunden nacheinander praktisch das gleiche Signal gemessen. Die gestern präsentierten Daten dieser Messung passen so wunderschön zu der Vorhersage eines Signals verschmelzender Schwarzer Löcher (dünne Linie, Beschriftung: „Predicted“), dass einem der Atem stockt:

Beweis und Beobachtung in Einem

Wir haben es also mit zwei handfesten Sensationen zugleich zu tun:

  1. Gravitationswellen gibt es wirklich!
  2. Schwarze Löcher, die sich umkreisen und dann ineinaderfallen gibt es wirklich!

Die Theorie und das Experiment haben uns gelehrt: Das Universum hat eine Menge zu bieten, wenn wir nur die richtigen Instrumente hinstellen. Dass es nun schon mit LIGO geklappt hat, war für mich persönlich eine handfeste Überraschung. Ausreichend empfindlich konstruierte Instrumente am Erdboden habe ich kaum für möglich gehalten. Stattdessen hätte ich auf das eLISA-Projekt gewettet, das in 20 Jahren mit drei Satelliten im Abstand von einigen Millionen Kilometern voneinander eine Rekordpräzision erreichen soll.

Doch nun besteht sogar die Aussicht darauf, dass mit dem Ausbau der amerikanischen Detektoren zu aLIGO sowie weiteren geplanten Instrumenten wie KAGRA in Japan schon die erdgebundene Gravitationswellen-Astrophysik Einiges zu messen haben wird. Wer sich ein bisschen mit den Fachbegriffen auseinandersetzt, kann auf dieser wundervollen Seite mit den Empfindlichkeiten aktueller und geplanter Instrumente herumspielen und sehen, welche Ereignisse sie theoretisch messen könnten.

Wovon können wir hoffen, in Zukunft Signale zu sehen? Vielleicht sehen wir Gravitationswellen von sich umkreisenden Neutronensternen, von Supernova-Explosionen sterbender Sterne oder von Schwarzen Löchern, in die Materie hineinstürzt.

Was wir gestern gesehen haben, was nichts Geringeres als das Aufstoßen eines neuen Fensters in das Universum. In diesem Sinne:

Aufbauend auf dem hervorragenden Artikel „Some Notes on Winter Blues“ von Frank Rieger möchte ich hier meine Recherchen und Erfahrungen zur Bekämpfung des weithin bekannten Stimmungstiefs im Winter dokumentieren. In Deutschland ist der Begriff „Winterdepression“ gebräuchlich, den ich allerdings für irreführend halte, weil eine tatsächliche Depression eine ganz andere Hausnummer ist. Passender ist der englische Name „seasonal affective disorder (SAD)“, auf Deutsch etwa „jahreszeitliche Gemütsstörung“. Wurzel des Problems ist offenbar, dass Menschen im Winter wesentlich weniger Sonnenlicht ausgesetzt sind als in anderen Jahreszeiten. Die geographische Lage (Nord)deutschlands und die Witterungsverhältnisse verschwören sich zu einer Situation, in der schon mal etliche Tage oder Wochen ins Land gehen, ohne dass man einen Sonnenstrahl abbekommt.

Die berüchtigte „Hamburger Sonnenfinsternis“, oft ab etwa 13 Uhr zu bewundern. Foto: elbpresse.de, CC-BY-SA 4.0

Die berüchtigte „Hamburger Sonnenfinsternis“, oft ab etwa 13 Uhr zu bewundern. Foto: elbpresse.de, CC-BY-SA 4.0

Für gewöhnlich komme ich gut damit zurecht, mit der ganzen Natur draußen wenig zu tun zu haben, aber wenn die Bedingungen vor der Tür die eigene Lebensfreude und Leistungsfähigkeit stark beeinträchtigen, sollte man sich schon mal damit beschäftigen. Sich bei Gelegenheit so lange wie möglich in die Sonne zu stellen oder Sport bei Tageslicht zu machen ist sicher hilfreich, aber Sonnenstunden und Zeit für Spaziergänge sind oft Mangelware. Mein bevorzugter Lösungsansatz ist daher, die offenbar stimmungsaufhellenden Effekte des Sonnenlichts auf anderem Wege zu erzeugen.

Physikalisch gesehen unterscheiden sich Sonnenlicht und das Licht aus einer geeigneten „künstlichen“ Lichtquelle durch nichts. Von Frank Riegers diversen Lösungsvorschlägen habe ich mich daher auf geeignete Lampen konzentriert. Eine von Frank zitierte medizinische Studie stellt fest, dass LED-Licht einer Wellenlänge zwischen 450 und 480 Nanometern (ein kräftiges Blau) bei Probanden das Hormon Melatonin unterdrückt, und zwar umso stärker, je mehr sie diesem Licht ausgesetzt sind. Ein zu hoher Melatoninspiegel kann offenbar ein Stimmungstief bedingen (Disclaimer: Ich habe keine Ahnung von diesem Kram, es klingt für mich lediglich plausibel), sodass ein Senken des Melatoninspiegels durch geeignetes Licht im Winter hilfreich sein kann.

Eine geeignete Lampe muss vor allem das entsprechende blaue Licht abgeben – die Sonne tut das in Hülle und Fülle, die allermeisten Lampen in unserem Alltag aber nicht. Frank empfiehlt, Datenblätter und Spektraldaten zu konsultieren um Lampen mit einem starken ~470-Nanometer-Anteil zu finden. Allerdings sind für die allermeisten Leuchtmittel kaum ausführliche Produktinformationen zu bekommen. Dazu kommt, dass etliche Spezialprodukte mit blödsinnigen Angaben werben, gnadenlos überteuert sind und die Leute verwirren. Ich möchte deshalb hier zunächst mit einigen Mythen aufräumen.

Überteuerte Spezialprodukte

Zunächst habe ich mich gefragt, ob das, was gern als „Tageslichtlampe“, „Lichttherapiegerät“ oder „Lichtdusche“ gehandelt wird, überhaupt irgendetwas Besonderes kann. Die Preise (siehe Screenshots) sind astronomisch – als ich diese Produkte aber in einem Elektronikhandel einmal in der Hand hatte, war ich regelrecht erschüttert, was das alles für schamlos überteuertes Plastikgeraffel ist. Man merkt den Produkten sofort an, dass sie für das Zehn- bis Zwanzigfache ihres tatsächlichen Materialwerts gehandelt werden – der Preis ist eine regelrechte Beleidigung für jeden, der auch nur ein wenig Gefühl für Elektrogeräte hat.

Philips EnergyUp: Klobig und unpraktisch. Verkaufspreis: 200 Euro; gefühlter Warenwert: 40 Euro.

Ich sehe keine physikalischen Gründe dafür, dass diese Produkte irgendetwas Besonderes an sich haben, und weder Hersteller noch Verkäufer konnten mir plausibel machen, dass dem so wäre. Dass die Lampen ein geeignetes Licht abgeben und wie versprochen wirken, glaube ich sofort – wenn ich so viel Geld dafür ausgeben würde, würde ich als Kunde auch eine Fünf-Sterne-Bewertung verfassen – aber ich bin auch sicher, dass man den gleichen Effekt auch für einen Bruchteil der Kosten erreichen kann. Meine Vermutung ist, dass diese Produkte nur zu so lächerlich hohen Preisen über den Ladentisch gehen, weil es geht. Wer sich ernsthaft um sein Befinden sorgt und sich des Problems bewusst ist, greift eben auch eher entsprechend tief in die Tasche, und glaubt dann umso stärker an einen Erfolg. Zum Anderen habe ich gehört, dass solche Geräte unter Umständen von Ärzten verschrieben und von Krankenkassen bezahlt werden – dann ist natürlich sofort klar, warum die Hersteller fünf- bis zehnmal soviel verlangen können, wie angemessen wäre. Einen handfesten Vorteil haben diese Lampen tatsächlich: Sie haben eine ausgedehnte Leuchtfläche und lassen sich gut auf dem Tisch in der Nähe des Gesichts platzieren. Dieser Effekt ist mit günstigen Lampen und Leuchten etwas schwieriger zu erreichen – aber auch nicht so sehr, dass es die Mondpreise dieser Geräte rechtfertigen würde.

Worauf man achten sollte

Kommen wir also zu der Suche nach vernünftigen Alternativen: Wie finden wir eine Lampe, die zu einem vernünftigen Preis tut, was wir wollen? Was sind die wirklich relevanten Kriterien für unseren Sonnenersatz? Leider werfen Hersteller und Verkäufer auch hier mit Halbwissen um sich. Versuchen wir mal, die verschiedenen Kriterien zu ordnen.

  • Beleuchtungsstärke: „10.000 Lux!“, schreit einem alles entgegen: man brauche 10.000 Lux, unter 10.000 Lux wirke eine Lampe nicht, dieses oder jenes Produkt hätte 10.000 Lux. Alles Blödsinn, oder mindestens unvollständig und grob irreführend. Zunächst mal hängt die Beleuchtungsstärke, die in Lux gemessen wird, vom Abstand zu einer Quelle ab. Wenn Sie also vor einer Lampe stehen, die „10.000 Lux hat“, und einen Schritt nach hinten machen, ist es schon essig mit 10.000 Lux Beleuchtungsstärke. Für welchen Abstand eine konkret angegebene Beleuchtungsstärke berechnet ist, wird selten dazugesagt. Natürlich sollte eine Lampe eine gewisse Stärke haben, um gut zu wirken – aber damit sie überhaupt wirken kann, muss erstmal das Spektrum stimmen. Die Beleuchtungsstärke allein anzugeben ist genauso sinnlos, als würde man sagen: „Gegen Eisenmangel solltest Du am Tag 800 Gramm Nahrung zu Dir nehmen!“ – wer die falsche Nahrung wählt, kann trotzdem an Eisenmangel leiden.
  • Lichtstrom: Statt der Beleuchtungsstärke (in Lux) bietet sich eher der Lichtstrom (in Lumen) einer Lampe als Maß dafür an, wie hell sie ist. Der Lichtstrom in Lumen gibt an, wie viel Licht eine Lampe insgesamt abgibt – schließlich hat man von Glühbirnen früher auch die Leistung in Watt angegeben, um sich über die Helligkeit zu unterhalten. Diesem Wert entspricht bei modernen Lampen der Lichtstrom in Lumen noch am direktesten. Eine kleine Eselsbrücke für Freunde der Astronomie: Die Angabe in Lux ist so etwas wie die Helligkeit (Magnitude) eines Sterns, während die Angabe in Lumen eher der Leuchtkraft entspricht. Als Richtwert: Ich habe mich für eine Energiesparlampe entschieden, die 810 Lumen hat. Ich betreibe sie in einem Abstand von etwa 90 bis 100 Zentimetern zu meinem Gesicht, und sie ballert ganz ordentlich – so, dass es manche schon als störend empfinden dürften.
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    Das Spektrum der Sonne entspricht einer Farbtemperatur von rund 5.500 Kelvin. Es hat einen starken Blau-Anteil. Bild: © Charles Chandler

    Spektrum: Das Spektrum ist der eigentliche Schlüssel! Hier muss genügend blaues Licht, also Licht der Wellenlängen 450 bis 480 Nanometer enthalten sein, damit der Trick mit dem Melatonin klappt. Wenn dieser Anteil des Lichts fehlt, kann die Lampe noch so stark sein und trotzdem nicht helfen. Leider geben Hersteller von Lampen fast nie ein ordentliches Spektrum an. Deshalb muss man behelfsweise auf die „Farbtemperatur“ in Kelvin (K) achten. In grober Näherung wird mit höherer Farbtemperatur die Wellenlänge immer kleiner. Das Sonnenlicht entspricht etwa 5.500 Kelvin, aber die meisten Glühbirnen und Lampen in unserem Alltag dümpeln um die 2.500 bis 3.000 Kelvin herum. Das ist dann „schön warmes Licht“, aber es enthält kaum Wellenlängen, die hilfreich wären, um Sonnenlicht zu ersetzen. Für unsere Zwecke sollte die Lampe also eine Farbtemperatur von mindestens 5.500 Kelvin, am besten sogar 6.000 oder 6.500 Kelvin haben. Bei Leuchtstofflampen ist offenbar gleich eine ganze Reihe seltsamer Nummern (830, 850, 880) und nichtssagender Bezeichnungen („Warm White“, „Cool White“ oder „Sky-White“) üblich, die man dankenswerterweise mithilfe dieser Webseite einer vernünftigen Angabe als Farbtemperatur zuordnen kann.

  • Lichtquelle: Akzeptable Preise und Energieeffizienz bieten vor allem Energiesparlampen und LED-Lampen. Allerdings haben LEDs die Eigenschaft, kein so schön „bauchiges“ Spektrum wie die Sonne abzuliefern, sondern eher „zackige“ Spektren zu haben – da wird weißes Licht auch schon mal aus einer roten, einer gelben und einer blauen Linie zusammengesetzt, und wenn man Pech hat sind die gewünschten 450 bis 470 Nanometer gar nicht dabei. Ich würde deshalb zu Energiesparlampen raten, außer man kann von einer konkreten LED-Lampe anhand des Spektrums sicherstellen, dass sie die gewünschten Wellenlängen am Start hat – so wie es augenscheinlich für dieses Produkt ausweislich dieses Spektrums (gerade noch) der Fall ist.

Die Lampe meiner Wahl

Conrad-Artikelnummer: 574668. Farbtemperatur: 6.500 Kelvin; Lichtstrom: 810 Lumen.

Conrad-Artikelnummer: 574668. Farbtemperatur: 6.500 Kelvin; Lichtstrom: 810 Lumen.

Baumärkte sind scheiße.

Baumärkte sind scheiße.

Ich habe mich letztlich für die rechts gezeigte Energiesparlampe entschieden. Ich musste durch fünf Bau- und Elektromärkte laufen und mir jede Menge Unfug anhören, bis ein Verkäufer bei (meinem zweiten) Conrad endlich wusste, was Sache ist. Ich war sogar in einem edlen, teuren, wunderhübschen „Beleuchtungshaus“ in der Hamburger Innenstadt, wo es hieß: „Lampen mit Farbtemperaturen von 5.000 Kelvin oder höher führen wir gar nicht.“ Hallo?! Das ist als würde einem an einer riesigen Käsetheke erklärt, dass man grundsätzlich keinen Käse mit Löchern im Sortiment habe. Saftladen.

Wie dem auch sei – mit E27-Fassung und Stromkabel mit Schalter kostete mich der Spaß knapp 18 Euro. Ich hätte auch eine fertige Leuchte aus Fassung+Kabel+Lampenschirm kaufen können, aber nirgendwo war etwas Geeignetes für den Schreibtisch zu finden – das ist wie oben erwähnt die eine Stärke, die spezielle „Tagelichtlampen“ haben. Ich habe letztlich einen alten Plastik-Trinkbecher zweckentfremdet, der sich gut als umgedrehter Lampenschirm und Aufsteller eignet. Dieser steht nun ganz in der Nähe des Monitors, in dessen Richtung ich ohnehin immer schaue, wenn ich am Schreibtisch sitze. Das Licht trifft deshalb ziemlich direkt mein Gesicht und meine Augen, obwohl ich nicht reinschaue. Um – falls ich doch mal hinschaue – nicht so direkt auf die „nackte Birne“ zu gucken, habe ich eine doppelt gefaltete Klarsichthülle mit Klebeband an dem Trinkbecher befestigt. Die zerstreut das Licht angenehm, ohne allerdings zuviel davon zu schlucken.

Man lasse sich von der automatischen Blenden-Korrektur in den folgenden Fotos nicht täuschen: Die Lampe ist ausgesprochen hell.

Anwendung und Wirkung

BlindingLight Es wird empfohlen, Tageslichtlampen am Morgen für 15 bis 30 Minuten einzusetzen. Ich habe gute Erfahrungen damit gemacht, nach dem Aufwachen nicht zum Smartphone zu greifen, sondern aus dem Bett zu stolpern und mit angeschalteter Lampe vor dem Rechner Nachrichten zu lesen. So kann ich die „Dosis“ für den Tag aufnehmen, ohne mir extra Zeit dafür zu nehmen. Wenn ich die Artikel über die Wirkung von Melatonin richtig verstanden habe, kann die Lampe abends und nachts auch dabei helfen, Müdigkeit hinauszuzögern. (Einige mögen darin einen „gefährlichen Eingriff“ in irgendeinen „natürlichen Schlafrhythmus“ sehen, aber ich halte es für ein Instrument der Chronoemanzipation.)

Auch wenn ich erst seit einigen Wochen dabei bin und die Lampe nicht konsequent jeden Tag nutze, habe ich durchaus positive Effekte beobachtet. Ich bemerke meist am späteren Nachmittag und im Laufe des Abends einen Unterschied, ob ich morgens vor der Lampe saß oder nicht.

Sicherlich wird das Gemüt im Wechsel der Jahreszeiten auch durch Ernährung, Bewegung, psychosoziale und weitere Faktoren beeinflusst. Ich denke aber, dass jeder nach den hier vorgestellten Maßgaben die Chance hat, für wenig Geld zu überprüfen, ob Sonnenlicht-Ersatz eine angemessene Hilfestellung für die dunklen Monate sein kann. Viel Erfolg!

Im Rahmen des 6. Forum Wissenschaftskommunikation, das 2013 in Karlsruhe stattfand, gab es ein Science Tweetup, das von @ScienceTweetup organisiert wurde. Das Format bringt twitternde Menschen an Orte, an denen spannende Wissenschaft passiert, wo sie dann seltene Einblicke bekommen und ihren Timelines berichten können.

Die Begleitung findet durch WissenschaftlerInnen statt, die seelisch darauf vorbereitet sind, dass während des Gesprächs alle Teilnehmer aktiv twittern. Einige von ihnen stehen dann auch zum Speed Dating bereit, wo man in wechselnder Gesellschaft Fragen aller Art loswerden kann.

In Karlsruhe ging es schließlich zum KATRIN-Experiment. Dessen Ziel ist es, die bisher nur sehr grob geschätzte Masse der Neutrinos zu vermesse, weshalb KATRIN auch „Neutrinowaage“ genannt wird. Bekannt ist sie fast allen den Physikstudenten der letzten Jahre von diesen Fotos:

Was auf dem Foto nicht sofort rüberkommt, aber mich in echt sofort ergriffen hat: KATRIN ist wunderschön! Es war toll, vor dem riesigen Spektrometer zu stehen. Das Experiment wurde außerdem von einer Physikerin sehr kompetent erklärt, die auch Fragen zum „großen Ganzen“ wie der Bedeutung des Experiments und der nie ganz auszuschließenden Möglichkeit, dass alles die Katz war, souverän beantwortet hat.

Nachdem ich meine Augen mühsam von KATRIN gelöst hatte, ging es zum Speed Dating. Zwei Fragen hatte ich mitgebracht, und eine konnte ich genau der richtigen Expertin stellen:

Die Frage war, warum das AMS-02-Teilchenexperiment ausgerechnet auf der ISS betrieben wird, und nicht auf einem eigenen Satelliten, was einfacher und billiger sein könnte. Die Antwort ist: Die Leistungsaufnahme von 2500 Watt ist für Satellitenverhältnisse so groß, dass es keine andere Gelegenheit gäbe, dieses Experiment mit Strom zu versorgen. Der Strom wird vor allem dafür gebraucht, ein starkes Magnetfeld aufzubauen, mithilfe dessen in dem Instrument Materie von Antimaterie unterschieden werden kann.

Die zweite Frage nagte schon eine Weile an mir: In einem Video erklärt der bekannte Fernseh-Physiker Harald Lesch, dass sich das Higgs-Boson heutzutage nicht mehr regulär im Raum um uns herum zeigt, und dass es sogar desaströs wäre, wenn das täte. Nanu? Das widerspricht ja der auch häufig vermittelten Ansicht, dass ständig und überall um uns herum Higgs-Teilchen damit beschäftigt sind, den anderen Teilchen Masse zu verleihen. Des Rätsels Lösung ist – wie so häufig in der Teilchenphysik – kompliziert, und wirft reichlich weitere Fragen auf. In 140 Zeichen heißt sie:

Das vernünftig zu erklären, ist eine Mammutaufgabe! Die hebe ich mir für ein anderes Mal auf 🙂

Im Interview erklärt der Organisator auch nochmal das Event – im Hintergrund sieht man natürlich ausgerechnet mich in meiner natürlichen Haltung – beim Essen und Quatschen^^

Es lohnt sich auf jeden Fall, @ScienceTweetup zu folgen! Jede(r) kann beim Science Tweetup dabei sein, wie neulich z.B. auch der Comiczeichner beetlebum, der das Tweetup prompt gezeichnet hat.

PS: Ein Foto, auf dem ich auch sehr naturnah getroffen bin, hat auch @micialmedia geschossen, der in einem eigenen Blogpost vom Science Tweetup berichtet:

Foto von Michael M. Roth, http://micialmedia.de

Foto von Michael M. Roth, http://micialmedia.de

Vor kurzem hatte ich das Glück, beim FameLab-Wettbewerb in Hamburg mitzumachen. Dabei geht es darum, ein wissenschaftliches Thema in drei Minuten unterhaltsam und allgemein verständlich, aber auch inhaltlich wertvoll dazustellen. Zehn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind angetreten und haben aus den verschiedensten Forschungsgebieten berichtet.

Mit meinem ersten Vortrag, in dem ich die Suche nach Teilchen anhand einer Analogie zwischen Protonen und LKW-Motoren erkläre, konnte ich den Publikumspreis für den besten Vortrag gewinnen:

In meinem zweiten Vortrag, in der Finalrunde zusammen mit vier anderen Kandidaten, erkläre ich Teilchen-Detektoren mit einer nicht minder absurden Analogie. Damit konnte ich dann sogar den 1. Platz in diesem Wettbewerb gewinnen:

Damit darf ich beim deutschen FameLab-Finale in Bielefeld auftreten (vorausgesetzt, Bielefeld gibt es wirklich – mal sehen!).


Alle Videos von der Veranstaltung in Hamburg und in den anderen Städten gibt es auf dem Youtube-Kanal von FameLab Germany.

Besonders empfehlen kann ich die Vorträge von Dr. Helga Hofmann-Sieber über AIDS-Forschung (Links: eins und zwei) und von Babette Döbrich über das ALPS-Experiment (Links: eins und zwei), das mit der Astroteilchenphysik auch mein Fachgebiet berührt.


Inzwischen bin ich auch beim Finale in Bielefeld aufgetreten! Viel Spaß beim Ansehen:

Durch einen Tweet von @erdgeist bin ich neulich auf einen brillianten amerikanischen Komiker gekommen, der in den 50er und 60er Jahren durch politische Themen und scharfen Zynismus in seinen selbst geschriebenen Liedern Berühmtheit erlangte: Tom Lehrer (heute 84 Jahre).

Von ihm stammt auch das Lied „Wernher von Braun“, benannt nach dem deutschen Raketenforscher, der als Weltraum-Enthusiast aufwuchs, später für die Nazis die als „V2“ bekannte Raketenwaffe entwickelte und nach dem Krieg für die USA die Saturn V-Rakete konstruierte, mit der der NASA die Mondlandung gelang.

Das Lied hat mir so gut gefallen, dass ich zwei deutsche Übersetzungen angefertigt habe und hier bereitstellen möchte: Eine wortgetreue und eine lyrische Übersetzung. Den Liedtext im englischen Original gibt es hier nachzulesen.

Einleitung: Wo wir gerade bei Bomben sind: Was macht Amerika zur weltgrößten Atommacht? Und was ist es, das es uns ermöglichen wird, zwanzigtausend Millionen Dollar an Steuergeldern auszugeben, um irgendeinen Deppen auf den Mond zu bringen? Nun, es war natürlich die große, enorme Überlegenheit amerikanischer Technologie, aufgeboten von unseren großen amerikanischen Wissenschaftlern, wie etwa Dr. (betont deutsch ausgesprochen:) Wernherr von Braun.

Lied (Lyrische Übersetzung):
Setzt Euch hin, ich erzähl‘ Euch von Wernher von Braun,
der sich gut überlegt, auf wessen Seite er steht.
Schimpft man ihn einen Nazi, dann kratzt ihn das kaum:
„Nazi-Popazi!“, sagt Wernher von Braun.

Sag nicht, er sei unaufrichtig,
Politik ist für ihn nicht so wichtig.
„Ich will dass sie fliegen, nicht auf die Landung schauen –
da bin ich nicht zuständig!“, sagt Herr von Braun.

Manch einer sagt, es sei ihm nicht zu trauen,
doch für andere ist klar, wir sind besser dankbar:
Invalide in London und verwitwete Frauen
mit stattlichen Renten dank Wernher von Braun.

Auch Du kannst zum Held Dich erheben,
wenn Du lernst rückwärts zu zählen.
„Auf Deutsch or in English kann ich schon den Countdown.
Und ich lerne Chinesisch,“ sagt Wernher von Braun.


Lied (Wortgetreue Übersetzung):
Sammelt Euch zusammen, während ich Euch ein Lied singe von Wernher von Braun,
einem Mann, dessen Loyalität von Berechnung geprägt ist.
Nenn‘ ihn einen Nazi, er wird nicht einmal die Stirn runzeln:
„Nazi-Popazi!“, sagt Wernher von Braun.

Sag‘ nicht, er sei heuchlerisch,
sag‘ lieber, er sei unpolitisch.
(mit deutschem Akzent gesprochen:)
„Wenn die Raketen erstmal oben sind, wen interessiert’s wo sie runterkommen –
Das ist nicht meine Abteilung“, sagt Wernher von Braun.

Manche haben harte Worte für diesen bekannten Mann,
aber manche sagen unsere Einstellung sollte eine von Dankbarkeit sein,
wie die Witwen und Invaliden (wörtlich: Krüppel) in der Londoner Altstadt
die ihre hohen Renten Wernher von Braun verdanken.

Auch Du kannst ein großer Held sein,
sobald Du gelernt hast, rückwarts bis Null zu zählen.
„Auf Deutsch, oder Englisch („oder Englisch“ auf Deutsch gesprochen) kann ich rückwärts zählen.
Und ich lerne Chinesisch,“ sagt Wernher von Braun.


Tom Lehrer war lange Lehrer für Mathematik (aber sein Name kein Künstlername!). Zu seinen bekanntesten Werken zählt das Lied „The Elements“, eine simple Aufzählung der seinerzeit bekannten chemischen Elemente (auch mit einer animierten Version des Periodensystems zu sehen).

Auf der politischen Seite hat er auch den damals gefühlt bevorstehenden globalen Atomkrieg verarbeitet, zum Beispiel mit seinem Lied „We Will All Go Together When We Go“.

Es lohnt sich also in vielerlei Hinsicht, Tom Lehrers Werk zu durchstöbern!

Ohne Anmoderation:
Direkter Download der Arbeit

… oder hier mit Einleitung:

Ein flacher, großer Schaufelbagger steht in einem Bergwerksschacht und kippt gelbe Fässer auf einem Haufen zusammen.

Erprobung der „Abkipptechnik“ in der Asse.

An der Uni Hamburg wurden 2008 und 2009 vom Zentrum für Naturwissenschaft und Friedensforschung (ZNF) gemeinsame Seminare von Physikern und Philosophen abgehalten. Die leitenden Dozenten waren Prof. Ulrich Gähde und Prof. Martin Kalinowski.

im Sommersemester 2008 fand das erste gemeinsame das Seminar, „Verantwortung für zukünftige Generationen: technisch-naturwissenschaftliche und philosophische Aspekte“ statt. Ein vieldiskutierter Aspekt war die Atommüll-Endlagerung, die im Sommersemester 2009 wieder aufgegriffen und in dem Seminar „Ethische Probleme der Langfristlagerung hochradioaktiver Abfälle“ diskutiert wurden.

Zu diesem zweiten Seminar habe ich die hier veröffentlichte Arbeit geschrieben, die das Ergebnis mühsamer Recherche zum Begriff der Atomsemiotik ist, einer geradezu sagenumwobenen Nische der (Populär-)Wissenschaft mit erstaunlich wenig handfestem Unterbau.

Im Kern geht es um die Frage: Wie kann sichergestellt werden, dass Menschen nicht in Atommüll-Endlager eindringen und sich in Gefahr bringen – und zwar über die (für die Endlagerungsfrage) „üblichen“ Zeiträume von zehntausenden Jahren hinweg?

Die Lösungsstrategie, die sich der Semiotik (also der Wissenschaft von Zeichen und Symbolen) bedient, sagt vereinfacht ausgedrückt: Es müssen nur die richtigen Zeichen angebracht werden, damit auf alle Zeit jeder Mensch erkennt, dass der Ort des Endlagers mit Gefahren verbunden ist. Die Erkenntnis, dass ein Schild aus Metall, oder auch nur die englische Sprache, wahrscheinlich keine 1.000 Jahre überstehen, führt von dort direkt in die Spirale der Imponderabilien, die die Atomsemiotik ausmacht.

Ein anderer Lösungsansatz geht davon aus, dass die Lage eines Endlagers selbst – in der Regel viele hundert Meter unter der Erde – Schutz genug darstellt. Dabei wird eine interessante Wette aufgemacht: Bleibt die Zivilisation intakt, wird sie selbst über genügend Technik und Verständnis verfügen, sich nicht mit dem Eindringen in Endlagerstandorte in Gefahr zu bringen. Geht die Zivilisation aber zugrunde, so ist keine Technik mehr verfügbar, die das Eindringen überhaupt ermöglichen würde. Trotzdem bleibt die Frage: Darf der Standort eines Endlagers einfach vergessen werden, oder muss diese Information bewahrt werden – und wenn ja, wie? Und schon sind wir mit unserem Kettenkarussell des Wahnsinns einmal im Kreis gefahren.

Auf dem Weg begegnen uns leuchtende „Strahlenkatzen“ und die geheimnisvolle „Atompriesterschaft“ (oder auch „nukleare Priesterschaft“), die mit einiger Zuverlässigkeit alle paar Jahre in populärwissenschaftlichen Berichten hervorgekramt werden. Wer sich für die Hintergründe und die ernsthaften Überlegungen dazu interessiert, dem sei diese Seminararbeit ans Herz gelegt.

Meine Seminararbeit „Das Kommunikationsproblem der Gefahren menschlichen Eindringens in Endlager für radioaktive Abfälle“ stelle ich unter der CC-BY 3.0 Deutschland-Lizenz zur Verfügung:

Titelblatt der Seminararbeit

Auf das Titelblatt klicken zum Downloaden

Ein Hörsaal von hinten im Publikum fotografiert, vorn eine bespielte Leinwand, zahlreiche Zuschauer, einige mit Laptop, schauen konzentriert nach vorn.

Der DESY-Hörsaal, in dem Physiker gespannt den Livestream vom CERN verfolgen. Foto: @JamieDass auf Twitter

Gerade komme ich vom „Public Viewing“ der Physiker am Hamburger DESY-Forschungszentrum, wo das CERN-Seminar mit Neuigkeiten von der Suche nach dem Higgs-Boson durch die beiden Experimente CMS und ATLAS live auf der Leinwand Übertragen wurde. Der Hörsaal war voll und am Schluss floss Champagner – ein gelungener Morgen für die ungewöhnlich fröhlichen Physiker vor Ort.

Aber größtenteils konnte meine Followerschaft auf Twitter doch nur mit einer amüsierten Distanz meine Tweets wie diese verfolgen:

Deshalb möchte ich an dieser Stelle mal darauf eingehen, wovon wir da eigentlich sprechen. Ich will mich darauf konzentrieren, wie solche Teilchen eigentlich gefunden werden – zur Natur des Higgs-Bosons und seiner Bedeutung für das „aktuell gültige Weltbild“ der Teilchenphysik, das Standardmodell, seien diese Quellen empfohlen:

Also, was hat es mit den ganzen „sigma“ auf sich, und warum scheint ausgerechnet 5 sigma – mit griechischer Tastatur zu Hand hätte ich korrekterweise 5σ geschrieben –  eine magische Grenze zu sein, gerade so als ginge es um die 5%-Hürde bei einer Bundestagswahl? Dazu hole ich mal ein bisschen aus und erzähle, wie Teilchenexperimente mit Beschleunigern eigentlich funktionieren:

(Disclaimer: Bei der Produktion dieses Blogpost kamen keine Kraftfahrer zu Schaden!)

Man stelle sich vor, wir wollten das Innere eines LKW-Motors untersuchen, aber die Heisenbergsche Unschärferelation verbietet es uns, den LKW einfach aufzumachen und reinzuschauen. Das ist ausgesprochen ärgerlich, aber mit absoluter Sicherheit nicht zu ändern. Was bleibt uns übrig? Nun, die Unschärferelation erlaubt uns Untersuchungen des LKW, aber nur solange er schnell unterwegs ist – sagen wir mal mindestens 300 km/h. Bei der Fahrt Draufsetzen und Reinschauen ist aber nicht drin, denn wir haben es nicht mit einem richtigen LKW, sondern mit einer Analogie für ein Proton zu tun, und Protonen zu reiten ist noch niemandem gelungen.

Also beschleunigen wir die LKW auf 300 km/h und lassen sie ineinander rasen – einen von jeder Seite, mit einer relativen Aufprallgeschwindigkeit von 600 km/h. Da ergeht es den Protonen nicht anders als unseren symbolischen LKW: Wenn sie aufeinandertreffen, sind sie Matsch.

Ein Schwarzweißfoto von Werner Heisenberg

Werner Heisenberg (1901–1976), kein Freund von LKW. Foto: Bundesarchiv, Bild 183-1986-0310-501 / CC-BY-SA 3.0 Deutschland

Aber die umherfliegenden Trümemrteile erlauben uns einen Rückschluss darauf, was im Motor war! Dreihundertvierundzwanzig Schrauben in sechzehn Größen werden nach der Kollision von der Autobahn aufgesammelt, ein Kolben hat einen Baum durchschlagen und die Kurbelwelle steckt in einem Brückenpfeiler – wenn man das oft genug macht, bekommt man ein Bild von der Zusammensetzung und sogar der Funktionsweise des Motos. Das klingt verrückt, aber so und nicht anders war es möglich, das Innere von Protonen zu untersuchen, was übrigens maßgeblich am DESY in Hamburg mit Proton-Elektron-Kollisionen gelang.

Okay, nun haben wir also auf die umständlichst mögliche Weise ein Bild vom Inneren des LKW-Motors gewonnen, weil ein gewisser Herr Heisenberg uns nichts anderes erlaubt. Aber was lernen Teilchenphysiker wirklich aus den Kollisionen von Protonen? Erfahren wir nur, was im Proton steckt, oder gibt es noch mehr zu erfahren?

Nun, da die Kollision das Proton nicht intakt lässt – Physiker sprechen von inelastischen Kollisionen – , können sich aus der „Energiesuppe“, die im Moment der Kollision am Ort des Aufpralls entsteht, alle möglichen Teilchen bilden. Das ist großartig für uns, weil wir nur handelsübliche Protonen (leicht aus Wasserstoff zu gewinnen) zur Kollision bringen müssen als Resultat auch exotische Teilchen beobachten können, die sehr seltene Materiearten enthalten oder nur extrem kurze Lebenszeiten haben. So kommt es, dass man außer den beiden Arten von Quarks – den bisher kleinsten bekannten Materiebausteinen – die sich in Protonen tummeln, nämlich den up- und down-Quarks, auch die charm-, strange-, bottom- und top-Quarks und jede Menge Kombinationen von ihnen gefunden hat und untersuchen konnte.

Luftbild des Fermilab-Forschungszentrums, große ringförmige Betonstrukturen in einer grünen Landschaft.

Luftbild des Tevatron-Beschleunigers am Fermilab-Forschungszentrum in Illinois, USA. Er erreichte etwa 7% der Kollisionsenergie des LHC am CERN.

Okay, aber warum braucht es immer größere Maschinen, wenn doch aus Proton-Kollisionen offenbar schon alles zu erfahren ist? —Hier kommt ein anderer wohlbekannter Physiker ins Spiel, der für eine frech herausgestreckte Zunge und die wahrscheinlich bestbekannte Formel der Teilchenphysik berühmt ist. Wegen der von ihm postulierten Gleichheit von Energie und Masse können unsere Kollisionen auch Teilchen erzeugen, die viel schwerer als Protonen sind, wenn wir den Protonen nur genug Energie mitgeben! Das wahrscheinlich gefundene Higgs-Teilchen ist zum Beispiel fast 70 mal schwerer als zwei Protonen zusammen.

Wenn wir also Teilchen mit immer größerer Masse sehen wollen – und das mutmaßliche Higgs ist mit Abstand das schwerste bisher beobachtete Elementarteilchen – dann müssen wir Anlagen bauen, die den Protonen immer größere Energie mitgeben, und das erfordert auch immer größere Maschinen.
Update: Die durchgestrichene Behauptung stimmt gar nicht, da habe ich mich beim Nachschauen vertan. Das top-Quark ist etwa 35% schwerer als das Higgs und das nächstleichtere Teilchen, das Z0-Boson, hat etwa 66% der Higgs-Masse.

Na gut, na gut. Jetzt haben wir also Kollisionen, bei denen jede Menge Kram entsteht. Aber wie findet man da etwas Neues, und was sollen diese sigma? —Ganz einfach: Man vergleicht das, was man erwarten würde mit dem, was man tatsächlich sieht. Sieht man etwas Unerwartetes, hat man etwas Neues entdeckt. Gehen wir zur Veranschaulichung mal zurück zum LKW-Motor:

Angenommen, es kommt ein Theoretiker daher und postuliert: In dem LKW-Motor sind Maiskörner eingeschweißt. Das wollen wir überprüfen! Er sagt, wir haben sie bis jetzt nicht gefunden, weil sie bei unseren geringen Aufprallenergien nicht austreten. Bei zu großen Aufprallenergien würden sie aber verbrennen. Also probieren wir verschiedene Energien aus, bis wir irgendwann am Ort der Kollision Popcorn entdecken. Aha! Popcorn kann nur aus Maiskörnern entstanden sein. Wenn wir dieses Ergebnis zuverlässig immer wieder mit der gleichen Energie produzieren können, hatte der Theoretiker wohl recht.

Im echten Leben ist das etwas komplizierter, aber man kann sich sogar eine echte Grafik aus einer Veröffentlichung der CMS-Kollaboration mit diesen Begriffen erklären:

Entdeckung des Ξ*b0-Teilchens durch das CMS-Experiment am CERN.

Von links nach rechts wird die Energie der Kollisionen aufgetragen – je weiter rechts, desto schneller der LKW. Die schwarzen Punkte sind die Messpunkte – praktisch eine Zählung von Kollisionsereignissen mit dem gesuchten Ergebnis: je weiter oben, desto häufiger kam Popcorn raus.

Die rote Linie zeigt nun die Ereignishäufigkeit, die man erwarten würde, wenn die Theorie nicht zuträfe – also ein Motor ohne Maiskörner. Tatsächlich sieht man aber bei einer bestimmten Energie plötzlich eine Häufung von Ereignissen anhand der schwarzen Punkte, die nach oben wandern – es taucht reichlich Popcorn auf! Die blaue Linie könnte dann eine neue Erklärung sein – quasi ein Motor-Modell, das die Maiskörner mit einbezieht und das Auftreten von Popcorn korrekt voraussagt. So einen „Buckel“ in der Verteilung der schwarzen Punkte nennen Physiker peak, und jeder Teilchenphysiker träumt davon, einen eigenen Peak zu entdecken.

Eine Schüssel Popcorn

Mögen mir meine Professoren diese Analogien verzeihen! Foto: „Popcorn“ von cyclonebill auf Flickr, CC-BY-SA 2.0

Okay, wir haben’s fast – was bedeutet jetzt sigma (griechischer Buchstabe σ)? Nun, manchmal verzählen sich auch Teilchenhysiker, oder der Zufall spielt ihnen einen Streich – so wie man manchmal fünf Einsen hintereinander würfelt und sich denkt, der Würfel müsste gezinkt sein, ohne dass das tatsächlich der Fall ist. Um das auszuschließen, analysieren die Physiker ihre Instrumente sehr gründlich und rechnen aus, was für Abweichungen (auch „Fehler“ genannt) ihre Maschinen und Zählweisen so verursachen können. In dem Graphen des CMS-Experiments oben sind das übrigens die schmalen Balken an den schwarzen Punkten, auch „Fehlerbalken“ genannt.

Je weiter die vermeintliche Entdeckung dann vom Ausmaß dieser Fehler entfernt ist, desto bedeutender – signifikanter sagt der Physiker – ist sie. Irgendwann, bei einer großen Abweichung von ein paar σ sind sich dann alle einig, wirklich etwas entdeckt zu haben, und nicht einem statistischen Fehler aufgesessen zu sein:

Abweichung von der Erwartung (entspricht Höhe des Peaks) Wahrscheinlichkeit, dass es sich nicht um einen statistischen Irrtum handelt
68,269%
95,450%
99,730%
99,994%
4,5σ 99,999321%
99,999943%

Update: Ein Physiker-Kollege weist mich darauf hin, dass ich das so einfach nicht sagen kann, und er hat recht. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um einen Fehler handelt, kann unmöglich für einen einzelnen Peak angegeben werden, sonst wäre in einem Datensatz mit 20 Peaks mit 2σ-Signifikanz nur einer ein Fehler. Das sieht in der Praxis aber ganz anders aus, 2σ-Ereignisse tauchen ständig auf und verschwinden wieder. Richtiger ist: Die Wahrscheinlichkeit, dass an einer gewissen Stelle zufällig ein Peak entsteht genau wie wir ihn sehen, ist 1 minus den Wert nach der Tabelle oben – für ein 2σ-Ereignis also 4,55%, für ein 4σ-Ereignis 0,006% und so weiter.

Die magische Grenze in der Teilchenphysiker-Gemeinschaft sind – mit Recht, wie man sieht – 5σ. Wer etwas mit 5σ Signifikanz beobachtet, der kann eine Entdeckung geltend machen. Darunter kann man auch oft recht sicher sein, aber es hat auch schon Veröffentlichungen gegeben, die sich mit 3σ in die Nesseln gesetzt haben und deren Ergebnisse nicht bestätigt werden konnten. Deshalb sind alle Physiker sehr vorsichtig mit Ergebnissen unter 5σ.

Letzten Herbst waren die beiden Experimente CMS und ATLAS am CERN – die zwar beide den LHC-Beschleuniger benutzen, aber völlig voneinander unabhängige Maschinen Kilometer voneinander entfernt sind – mit etwa 2–3σ dabei, bei der gleichen Energie ein Teilchen wie das Higgs gesehen zu haben. Das ist ein guter Hinweis, aber eben nicht gut genug.

Heute nun haben beide Experimente – je nach Zählweise – Ergebnisse von 4,9–5σ präsentiert. Das wichtigste ist, dass sie sich dabei nicht auf eine einzige Art der Higgs-Erkennung stützen, sondern verschiedene „Kanäle“ nutzen: Sie achten bei den LKW-Kollisionen nicht nur auf Popcorn, sondern auch auf Pfefferminztee und Himbeermarmelade, die alle mit ihrer eigenen theoretischen Erklärung auf das Higgs-Boson zurückzuführen sind (auf das Higgs bezogen spricht man zum Beispiel vom gamma-gamma-Kanal oder dem 4-Lepton-Kanal). All diese Analysen der verschiedenen Kanäle zusammengenommen ergeben dann eine Signifikanz, die die heiß ersehnten 5σ erreicht – ganz zu schweigen von der Kombination der Ergebnisse beider Experimente in einen einzigen Datensatz, die heute noch nicht präsentiert wurde.

Alles in allem sind die Teilchenphysiker, Ingenieure und Theoretiker enorm glücklich und stolz auf diese Ergebnisse und die Performance des LHC und der Experimente CMS und ATLAS. Nicht nur am CERN, wie hier im Bild, haben deshalb heute viele Männer und Frauen diese Entdeckung ausgelassen gefeiert, und auch ich freue mich riesig für sie.

Ein Hörsaal voller stehen applaudierender Menschen.

Standing Ovations für CMS und ATLAS am CERN heute morgen. Foto: CERN