Amerikanische Physiker schufen erstmals Materie aus reinem Licht

Das Sein und das Nichts, früher das angestammte Thema der Philosophen, wird heute in Teilchenbeschleunigern näher untersucht

Kann die Quantenmechanik verstanden werden?" So fragte programmatisch vor einigen Jahren Nature-Herausgeber John Maddox. "Was die Biologie angeht, so verfügt jeder über Erfahrungen aus erster Hand - vom Fußpilz über die Verdauung bis zur Fortpflanzung. Deshalb kommt diese Wissenschaft in der Presse auch so gut weg", klagte Maddox. Bringe man dagegen auf einer Dinnerparty das Gespräch auf die Quantenmechanik, so bekomme man bestenfalls Antworten wie etwa: Nichts sei so sicher, wie Newton gedacht habe, oder auch, mutig extrapoliert: Überhaupt nichts sei sicher. "Was not tut, sind Experimente, die die Bedeutung dieses Fachgebietes demonstrieren und ins allgemeine Bewußtsein heben", forderte Maddox.

Amerikanischen Physikern ist nun ein solches Experiment gelungen. Zwanzig Wissenschaftler von vier amerikanischen Universitäten wandelten am Linearbeschleuniger in Stanford, Kalifornien, erstmals pures Licht in Materie um, ein Werk, das ein wenig an die Erschaffung der Welt durch göttliche Hand erinnert. Sozusagen aus bloßem Nichts Materie zu erzeugen, das blieb bislang der Bibel oder der Urknalltheorie vorbehalten. Nun ist dieser Schöpfungsakt endlich auch vor Zeugen gelungen.

Verglichen mit dem Gotteswerk (oder eben dem big bang), nimmt sich das Ergebnis der Hochenergiephysiker in Stanford allerdings bescheiden aus: Nach insgesamt rund vierjähriger Arbeit hatten sie gerade einmal rund einhundert Elektronen - sowie deren Antiteilchen, die Positronen - erzeugt. Mit dieser Ausbeute, für die in Stanford mehrere Billionen Watt verheizt wurden, ließe sich nicht einmal ein Taschenlämpchen zum Glühen bringen. Eine verheerende Energiebilanz. Aber es geht ja auch mehr ums Prinzipielle: Aus reiner Energie läßt sich Materie verstofflichen. Welch eine Symbolkraft steckt in diesem Akt.

Den umgekehrten Prozeß hat der Mensch nämlich schon vor mehr als fünfzig Jahren gemeistert - mit verheerenden Auswirkungen. Die Atombombe demonstrierte aller Welt die plötzliche Umwandlung von Materie in Energie, gemäß der simplen Gleichung E = mc2 (die Masse eines Körpers multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit im Quadrat ergibt dessen Energie). Albert Einstein, der diese berühmteste Formel der Physik 1905 erstmals veröffentlichte, ahnte noch nichts von der gewaltigen Sprengkraft, die sich dahinter verbirgt. Harmlos schrieb er am Ende seiner Ausführungen: "Es ist nicht ausgeschlossen, daß bei Körpern, deren Energieinhalt in hohem Maße veränderlich ist (z. B. bei den Radiumsalzen), eine Prüfung der Theorie gelingen wird." Eine grandiose Fehleinschätzung. Nicht bei den Radiumsalzen, sondern in Hiroshima wurde die Theorie bewiesen. Nun, ein weiteres halbes Jahrhundert später, wird in Stanford Materie aus Licht gewonnen und damit Schöpfung statt Zerstörung demonstriert. Werden die Physiker um Adrian C. Melissinos ebenso in die Geschichte eingehen wie Robert Oppenheimer und seine Los-Alamos-Gang?

Die Fachleute winken ab: An Einsteins Formel zweifle schon lange niemand mehr; und daß sich Licht in Materie umwandeln lasse, sei schon öfters bewiesen worden. Der Experteneinwand ist zwar richtig. Dennoch gelang in Stanford ein Durchbruch. Was die Wissenschaft nämlich bisher vorzuweisen hatte, waren eher indirekte Ergebnisse, sozusagen Abfallprodukte der energiereichen Teilchenkollisionen, wie sie in den Hochenergiezentren Cern in Genf oder Desy in Hamburg gang und gäbe sind. Wenn dort in langen Röhren elementare Partikel auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und schließlich aufeinandergeschossen werden, zerstieben sie zu einem wahren Trümmerhaufen von Energie und neuen Teilchen. Dabei entstehen auch kurzlebige "virtuelle" Lichtteilchen (Photonen), aus denen sich wiederum materielle Partikel formen können.

In Stanford dagegen wurden reale Lichtblitze aufeinandergeschossen. Mittels einer trickreichen Versuchsanordnung pumpten die Physiker dabei für eine billionstel Sekunde so viel Energie in einen milliardstel Quadratzentimeter, wie die gesamten Vereinigten Staaten in derselben Zeit verbrauchen. Eine der stärksten Laserquellen der Welt sandte extrem kurze Lichtpulse aus. Um einen zweiten, noch energiereicheren Strahl zu erzeugen, lenkten die Physiker dieses Laserlicht genau auf den feingebündelten Elektronenstrahl, der im Stanforder Beschleuniger erzeugt wird. Wie Pingpongbälle auf einen Lastwagen prallten die Lichtteilchen auf die Elektronen und wurden mit noch mächtigerem Stoß zurückgeworfen. Aus sichtbarem grünem Laserlicht wurde so höherenergetische Gammastrahlung, die mit dem nächsten Laserpuls kollidierte.

Adrian Melissinos stöhnt noch heute, wenn er an die Sensibilität dieses Feuerwerkes denkt: "Jede kleine Wetterveränderung konnte die Justierung durcheinanderbringen. Wenn es um Bruchteile von Millimetern geht, spürt man die Bewegung der Erde genauso wie den morgendlichen Sonnenaufgang, der den Beschleuniger aufheizt." Nicht nur in der Esoterik ist eben alles mit allem verbunden.

Die Erklärung der lichten Reaktion lehrt dagegen unvermutet viel über das Wesen der Welt - womit wir im übrigen wieder zu John Maddox' Bemerkung über die Quantenmechanik zurückkommen. Denn genaugenommen ist in Stanford die Materie nicht aus Licht, sondern vielmehr aus dem Vakuum entstanden. Die zusammenprallenden Lichtstrahlen erzeugten lediglich ein "kritisches" elektromagnetisches Feld, das die Entstehung je eines Elektron-Positron-Paares aus dem puren Nichts beförderte.

Wie hat man sich so etwas vorzustellen? Dazu muß man ein wenig ausholen. Denn die Materieerzeugung aus dem Nichts ist letztlich nur deshalb möglich, weil in der Quantenwelt die Dinge nie ganz eindeutig sind. So legt die bekannte Heisenbergsche Unschärferelation fest, daß bestimmte zusammenhängende Größen eines subatomaren Partikels (etwa dessen Ort und Geschwindigkeit oder auch seine Energie und Zeitdauer) nicht gleichzeitig scharf definiert werden. Dieses merkwürdige Prinzip gilt ganz allgemein - also auch im Vakuum. Der sogenannte leere Raum darf daher nicht exakt leer sein, sonst müßten darin Energie und Lebensdauer möglicher Teilchen genau gleich Null sein, was laut Unschärfeprinzip nicht sein kann.

Tatsächlich gleicht also das Vakuum in Wahrheit einem See, in dem unablässig Energie und Materie fluktuieren. Im Mittel addieren sich diese Fluktuationen stets zu null. Wenn allerdings in einem derart brodelnden Nichts zwei Lichtblitze mit Wucht zusammenprallen, dann kann diese Energie durchaus einem gerade fluktuierenden Partikelpaar zum Sprung von der möglichen in die reale Existenz verhelfen.

Schwierig, sich das vorzustellen? Ist es auch. Immerhin ist das ein Sujet, das Physikstudenten erst in den höheren Semestern zugemutet wird. Und auch die haben ihre liebe Not mit dem Begreifen. Erschwerend kommt hinzu, daß die Materieerzeugung aus dem Nichts sich zwar in den riesenhaften Detektoren der Teilchenphysiker nachweisen läßt, ansonsten jedoch keine sichtbaren Spuren hinterläßt. "Praktische Anwendungen sehe ich leider nicht", meint denn auch Adrian Melissinos bedauernd.

Die Bedeutung des Stanforder Experimentes liegt eher auf theoretischem Gebiet: Damit kann man beispielsweise die Voraussagen der Quantenelektrodynamik genauer überprüfen, einer komplizierten Theorie, über die ihr Schöpfer Richard Feynman witzelte, daß selbst er nicht wisse, warum sie gültig sei. Nützlich könnten die Stanforder Erkenntnisse auch beim Bau zukünftiger Beschleuniger sein (sofern Geld dafür vorhanden ist). Zudem interessieren sich die Astrophysiker, die in Neutronensternen ähnliche Prozesse vermuten, für das Experiment. Und die Materieerzeugung aus dem Nichts ist philosophisch von höchstem Interesse. Schließlich vertreten ernstzunehmende Astrophysiker schon seit Jahren die These, daß auch unser Kosmos dereinst aus einer Energiefluktuation im Vakuum entstanden ist.

Das Mißverhältnis zwischen (Energie-) Aufwand und (Materie-)Ausbeute in Stanford führt allerdings schmerzlich vor Augen, wie begrenzt die Möglichkeiten der Menschheit sind. Während sie gemäß Einsteins berühmter Formel mittlerweile die halbe Erde in einem gewaltigen Lichtblitz vernichten könnte, vermag sie umgekehrt mit dem größtmöglichen Energieaufwand gerade hundert Elementarteilchenpaare zu erzeugen, die noch nicht einmal die Masse eines Atoms zusammenbringen. Das Zerstören von Altbekanntem scheint eben auch naturgesetzlich allemal einfacher zu sein als die Erschaffung von Neuem.