Helmholtz heute

Nichts geht verloren

Hermann von Helmholtz formulierte das Prinzip der Energieerhaltung vor rund 150 Jahren. Heute ist das Prinzip der Energieerhaltung in der Physik fundamental – sowohl in der Kosmologie als auch in der Teilchenphysik.

100 Meter in der Tiefe: Mit dem ATLAS-Teilchen­detektor wurde das Higgs-Boson nachgewiesen. Bild: CERN/Maximilien Brice
100 Meter in der Tiefe: Mit dem ATLAS-Teilchen­detektor wurde das Higgs-Boson nachgewiesen. Bild: CERN/Maximilien Brice

Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält [...]“ war das oberste Ziel des universalgelehrten Protagonisten in Goethes „Faust“. Um es zu erreichen, verschrieb sich Faust der Magie. Heute suchen Teilchenphysiker nach einer Antwort auf dieselbe Frage, wenngleich mit völlig anderen Mitteln. Am leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC), unterirdisch an den Ausläufern des Juragebirges im französisch-schweizerischen Grenzland bei Genf angesiedelt, schießen Forscher dazu Protonen oder ganze Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander. Wenn die Teilchen miteinander kollidieren, zerbersten sie und es entstehen jede Menge neuer Teilchen.

Einer dieser Teilchenphysiker ist Thomas Naumann vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY. Dort untersuchte er die Struktur von Protonen. Viele Jahre koordinierte er außerdem die Kommunikation für den LHC in Deutschland. „Die Physik, die wir dort machen, ist sehr komplex und lässt sich in wenigen Minuten oder gar Sekunden, wie das heute oft erwartet wird, gar nicht richtig vermitteln“, weiß er aus Erfahrung. „Da muss man manchmal etwas mehr erklären.“

Mit Detektoren wie dem ATLAS-Experiment am LHC lassen sich die elementaren ­Bausteine der Materie aufspüren und die Grundkräfte erkunden, die zwischen ihnen wirken. Welche und wie viele Elementarteilchen die Forscher in ihren Experimenten erzeugen können, hängt davon ab, mit welchen Energien sie die Protonen aufeinanderjagen. Denn je energiereicher eine Kollision ist, desto massereicher sind die Endprodukte. Einmal in eine Kollision hineingesteckt, geht die Energie nicht verloren, sondern wird in die Massen und Bewegungs-energien dieser Endprodukte umgewandelt.

Worauf die moderne Physik mitlerweile ganz selbstverständlich baut, hatten Naturkundler der unterschiedlichsten Disziplinen zunächst nur vermutet. Als Erster formulierte der Heilbronner Arzt Julius Robert Mayer im Jahr 1842, dass die Energie in einem abgeschlossenen System konstant bleibt. Anerkennung fand seine Arbeit zunächst kaum. Einige Jahre später, 1847, arbeitete Hermann von Helmholtz das Prinzip der Energieerhaltung in seiner Schrift „Über die Erhaltung der Kraft“ näher aus. Er war es auch, der die elektrische Energie mit chemischer Energie und Wärmeenergie in Zusammenhang brachte und die Energieerhaltung auch anhand physio­logischer Prozesse wie der Muskelkraft beschrieb. Denn Energie bleibt auch erhalten, indem sie von einer Form in die andere umgewandelt wird.

Beschleunigerring: Die Tunnelröhre des LHC hat einen Umfang von rund 27 Kilometern.  Bild: 2014 CERN
Beschleunigerring: Die Tunnelröhre des LHC hat einen Umfang von rund 27 Kilometern. Bild: 2014 CERN

Heute längst als erster Hauptsatz in der Thermo­dynamik fest verankert, erweist sich das Prinzip der Energieerhaltung für die moderne Physik in ihren unterschiedlichen Bereichen als ausgesprochen nützlich, in der Teilchenphysik ebenso wie bei der Betrachtung des großen Ganzen in der Kosmologie. „Die Energieerhaltung war erst mal eine rein empirische Sache, auf die man auch vor dem Hintergrund der Physik von Dampfmaschinen stieß“, sagt Thomas Naumann. „Doch tatsächlich ist sie etwas ganz Fundamentales.“

„Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann nur von einer Form in andere Formen umgewandelt werden.“ Hermann von Helmholtz

Mehr als ein halbes Jahrhundert nach Helmholtz, 1918, fasste die deutsche Mathematikerin Emmy Noether die Bedingungen für die Energieerhaltung sowie weitere physikalische Erhaltungsgrößen auf geniale Weise in die Sprache der Mathematik. „Die Noether-Theoreme, vor denen bin ich immer in Ehrfurcht erstarrt“, sagt der Physiker Thomas Naumann. „Sie begründen mathematisch und sehr elegant den Energieerhaltungssatz.“

Von Noethers Theoremen ausgehend folgen noch eine ganze Reihe weiterer Erhaltungssätze, etwa von Impuls und Drehimpuls, aber auch vieler physikalischer Größen, die die Spielregeln der Teilchenphysik auf elementarer Ebene bestimmen. Nach diesen Gesetzmäßigkeiten entscheidet sich auch, welche Teilchen bei den energiereichen Kolli­sionen im LHC entstehen.

Der Energieerhaltungssatz half den Teilchenphysikern schon in der Vergangenheit mehrfach auf die Sprünge. In den 1920er-Jahren meinten einige Physiker, bei einem radioaktiven ­Kernzerfall, dem Betazerfall, die Energieerhaltung verletzt zu sehen: Das Elektron, das bei der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton entweicht, schien nicht ausreichend Energie zu transportieren. Der österreichische Physiker Wolfgang Pauli nahm die Energieerhaltung ernst und erklärte das ­Phänomen 1930 durch ein bis dahin unbekanntes Teilchen. Es sollte ebenfalls beim Betazerfall frei werden und die fehlende Energie mitnehmen: das Neutrino. Nachweisen ließen sich diese fast masselosen Elementarteilchen erst 1956.

Perseus-Galaxienhaufen: Das Bild zeigt in Rot sichtbares Licht und Radiolicht sowie in Blau Röntgenlicht. Bild: X-ray: NASA/CXO/Fabian et al.; Radio: Gendron-Marsolais et al.; NRAO/AUI/NSF Optical: NASA, SDSS
Perseus-Galaxienhaufen: Das Bild zeigt in Rot sichtbares Licht und Radiolicht sowie in Blau Röntgenlicht. Bild: X-ray: NASA/CXO/Fabian et al.; Radio: Gendron-Marsolais et al.; NRAO/AUI/NSF Optical: NASA, SDSS

Heute fahnden Forscher erneut nach noch unbekannten Teilchen. Doch diesmal kommen die Hinweise weniger von den Teilchen selbst; vielmehr führen die Spuren in die Tiefen des Kosmos. Dort beobachten Astronomen schon lange, dass Galaxien und Galaxiencluster sich anders bewegen, als es sich allein durch die Schwerkraft der sichtbaren Materie erklären ließe. Ebenso ist die Lichtablenkung von Quasaren durch Galaxiencluster stärker, als es die Masse der sichtbaren Materie in den Clustern allein erlaubt. Die Forscher gehen davon aus, dass sogenannte Dunkle Materie den fehlenden Anteil an gravitativ wirksamer Masse stellt.

„Bei der Suche nach Teilchen dieser mysteriösen Dunklen Materie nutzen wir den Energiesatz und schauen, ob Energie ungesehen aus dem Detektor verschwunden ist.“ Thomas Naumann

Diese Dunkle Materie, so die Annahme, könnte aus einer neuen Teilchenart bestehen, die allein auf die Schwerkraft anspricht, nicht jedoch auf die übrigen Wechselwirkungen. Weil diese Elementarteilchen auch nicht über die elektro-magnetische Kraft wechselwirken, senden sie kein Licht aus und sind unsichtbar. Diesen Dunkle-Materie-Teilchen hoffen die Physiker am LHC oder an einem noch leistungsfähigeren Beschleuniger der Zukunft auf die Spur zu kommen. Auch dabei ist ihnen der Energie-
erhaltungssatz behilflich. „Bei der Suche nach Teilchen dieser mysteriösen Dunklen Materie nutzen wir den Energiesatz und schauen, ob Energie ungesehen aus dem Detektor verschwunden ist“, erläutert Thomas Naumann. Denn anders als die Elementarteilchen gewöhnlicher Materie lassen sie sich nicht über die bekannten Wechselwirkungen nachweisen. Die Suche danach wird noch einige Jahre dauern.

Autorin: Felicitas Mokler

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