Deutscher Physiknobelpreisträger

Zum ersten Mal seit vier Jahren erhält wieder ein deutscher Wissenschaftler den Nobelpreis für Physik. Die Forschungen mit Laserlicht des Münchner Professors Theodor W. Hänsch sind sehr wichtig für die Telekommunikation und Satellitennavigations. Sie könnten sogar dazu beitragen, dass man neue Lagerstätten von Bodenschätzen leichter entdecken kann.

Zwei der drei Physiknobelpreisträger 2005 in einem Münchner Biergarten. Rechts Prof. Hänsch, links John Hall.

Theodor W. Hänsch ist 63 Jahre alt und leitet das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München. Er teilt sich den Nobelpreis mit den Amerikanern Roy Glauber und John Hall. Vom Gewinn des Nobelpreises war er sehr überrascht. Was er mit dem Preisgeld in Höhe von 2,5 Millionen Schwedischen Kronen, etwa 275000 Euro, anstellt, weiß er noch nicht. Er erhält den Preis für Forschungen im Bereich der laserbasierten Spektroskopie. Aber was ist das überhaupt, Quantenoptik und laserbasierte Spektroskopie?

Quanten... was?

Ein Quantenoptiker beschäftigt sich mit einer besonderen Eigenschaft des Lichts - der Beschreibung von Licht als Teilchen. Diese winzigen Teilchen haben je nach Farbe des Lichts bestimmte Energie - rotes Licht und rote Photonen haben weniger Energie, als blaues Licht und blaue Teilchen. Und Energie wird in der Natur immer in Form kleiner Pakete, so genannten Quanten, transportiert.

Heute schon spektroskopiert?

Spektroskopie beschreibt ein Verfahren, das du im Prinzip an der Gemüsetheke im Supermarkt ausprobieren kannst - ohne irgendwelche physikalischen Instrumente, nur mit den Augen. Du solltest es sogar tun, damit du auch das beste Gemüse erwischst.

Die farbigen Striche zeigen das Spektrum der Flamme an, also welche Farben die Flamme enthält. Daraus kann man schließen, welche chemischen Elemente verbrennen.

Spektroskopie heißt, dass man mit Hilfe von Licht Informationen erhält. Zum Beispiel leuchtet eine frische Möhre in knackigem Orange. Das heißt, dass die Möhre alles einfallende Licht verschluckt, nur das Orange wird zurückgeworfen. Wenn die Möhre älter wird, dann ändert sich die chemische Zusammensetzung und dadurch auch die Farbe, die zurückgeworfen (reflektiert) wird. Man hat also durch Licht Informationen über die Qualität der Möhre gewonnen.

Theodor Hänsch schaut sich als Quantenoptiker statt Möhren Atome an, und statt Sonnenlicht benutzt er Laser. Das ist eine besondere Form von Licht, die viel Energie hat und streng einfarbig ist. Den Nobelpreis hat er dafür bekommen, dass er aus Licht die weltweit genaueste Uhr konstruiert hat.

Was ist eine Uhr?

Eine Uhr besteht aus einem Taktgeber (Fachsprache: Oszillator) und einem Zählwerk. Bei einer Pendeluhr ist das Pendel der Taktgeber. Je einmal hin oder her ist ein Takt, und jeder Takt eine Sekunde. Die wird vom Zählwerk, dem Sekundenzeiger, angezeigt.

Eine Uhr ist umso genauer, je schneller das Pendel schwingt. Darum sind Atomuhren auch so genau, weil die Atome sehr schnell schwingen. Zum Beispiel dauert die Sekunde in einer Atomuhr 9.192.631.770 Schwingungen eines Cäsiumatoms. Die Schwingungen des Atoms sind das Pendel einer Atomuhr.

Blitzschnell - das Lichtpendel

Licht schwingt sogar noch viel schneller als ein Atom. Damit sind über tausend Mal genauere Uhren möglich, als sie heute benutzt werden. Das Problem ist das genaue Abzählen der vielen Lichtschwingungen. Das Uhrwerk muss sehr schnell sein, damit man die Schwingungen abzählen und technisch verwenden kann.

Die Lichtuhr

Der Trick von Prfoessor Hänsch besteht darin, sowohl als Pendel (Taktgeber) als auch als Uhrwerk einen Lichtstrahl zu verwenden.

Der als Taktgeber arbeitende Lichtstrahl ist ein durchgehender Laserstrahl. Das Laserlicht schwingt so schnell hin und her, dass man es bisher nicht exakt messen konnte.

Der Uhrwerk-Laserstrahl ist ein Laser, der jede Nanosekunde (milliardstel Sekunde) einen kurzen Lichtpuls aussendet. Eine Milliarde Lichtpulse pro Sekunde sind zwar sehr viel, aber das kann man problemlos messen.

Mit ein bisschen Technik gelingt es dann, die beiden Laserstrahlen so zusammen zu koppeln, dass man den mit herkömmlicher Technik unmessbar schnellen Strahl des Laserpendels exakt messen kann - man hat die genaueste Uhr der Welt, nicht größer als ein Schuhkarton.

Und was kann man damit machen?

Diese Entwicklung hat große Bedeutung für so unterschiedliche Gebiete wie Navigation, Telekommunikation und der Entdeckung von Bodenschätzen.

Navigationssysteme benutzen Satelliten im Weltall, von denen Funksignale ausgeschickt werden. Aus mehreren solcher Signale wird dann die Position berechnet. Um eine Position genau bestimmen zu können, muss man aber auch genau wissen, wann die Signale ausgesendet wurden.

Je genauer die Zeit bekannt ist, je genauer also die Uhr ist, desto genauer lässt sich auch die Position bestimmen. Das ist wichtig für den internationalen Flug- und Schiffsverkehr und für die Raumfahrt.

Farben, Uhren und Bodenschätze

Dass man die extrem schnellen Schwingungen von Lasern jetzt genau vermessen kann heißt auch, dass man jetzt Millionen von Farben sehr genau unterscheiden kann. Denn Lichtstrahlen, die sich auch nur um eine Schwingung pro Sekunde unterschieden, sind auch unterschiedliche Farbnuancen. Das menschliche Auge kann so kleine Unterschiede zwar nicht wahrnehmen, aber dank Professor Hänsch kann man das jetzt messen.

Mit jeder Farbnuance kann man Daten durch Glasfasern (Lichtkabel) schicken. Und die verschiedenen Farben stören sich gegenseitig nicht. Deshalb kann man viel mehr Daten über eine Leitung schicken.

Mit der Erfindung Hänschs kann man sogar Bodenschätze finden. Das geht, weil große Vorkommen an Erz das Schwerefeld (Gravitationsfeld) der Erde beeinflussen. Und nach Einstein beeinflusst Gravitation auch den Verlauf der Zeit. Die Lichtuhren von Professor Hänsch gehen so genau, dass man so winzige Änderungen im Verlauf der Zeit, die durch die Masse einer Erzlagerstätte hervorgerufen werden, messen kann

Links:

Wenn du es ein bisschen genauer wissen willst, dann bist du auf den Seiten der Max-Planck-Gesellschaft richtig

Hier findest du einige Artikel, die sich mit Einstein,Max Planck und ihren Vorstellungen von der Welt beschäftigen.

Hier sind alle Texte bei WIW, die sich mit dem Nobelpreis befassen.

Hier findest du eine Liste aller Physiknobelpreisträger auf WIW

Text: -jj- 2.12.2005 // Bilder mit freundlicher Genehmigung de Max-Planck-Institus für Quantenoptik/Ludwig-Maximilian-Universität München; Bild Spiritusflamme_Spektrum: Anton/GFDL

Hinweis: Im Archiv wurden alle Bilder und Links entfernt