Grundlegendes Gesetz der Physik in Frage gestellt

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Neue Entdeckung stellt Plancksches Strahlungsgesetz in Frage

Eine kürzlich von Forschern an Amerikas zweitältester Universität William & Mary und an  der University of Michigan gemachte, in Nature publizierte Entdeckung verändert unser Verständnis für eines der wichtigsten Gesetze der modernen Physik – das Plancksche Strahlungsgesetz von 1900.  Das gibt die Verteilung der elektromagnetischen Energie der Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Wellenlänge oder der Frequenz der Strahlung an und gilt als Grundlage der Quantenphysik, schreibt Adrienne Berard auf der W&M-Internetseite.

– Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Die Entdeckung hat weitreichende Auswirkungen auf die Wissenschaft, von der Nanotechnologie bis hin zu unserem Verständnis des Sonnensystems. „Das ändert alles, sogar unsere Vorstellungen von der planetarischen Bildung“, sagte Mumtaz Qazilbash, außerordentlicher Professor für Physik an Amerikas zweitältester Universität William & Mary und Mitautor des Papiers. „Das volle Ausmaß dessen, was das bedeutet, ist eine wichtige Frage, und offen gesagt, eine, über die ich weiter nachdenken werde.“

Das Strahlungsgesetz von Planck ist eine Säule der modernen Physik und eine der wichtigsten Erkenntnisse der Quantenphysik. Das Gesetz wurde 1900 von Max Planck formuliert und ist eine mathematische Gleichung, die den Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Objekts und der von diesem Objekt in Form von elektromagnetischer Strahlung abgestrahlten Energie erklärt. Durch eine Reihe von Experimenten konnte das Team zeigen, dass Plancks Gesetz nicht für Objekte gilt, die kleiner als eine bestimmte Längenskala sind – und das Ergebnis ist 100mal höher als das, was das Gesetz vorhersagen würde. Qazilbash sagte, die eigentliche Herausforderung sei es, die Diskrepanz nicht nur zu beweisen, sondern auch zu erklären.

Qazilbash und zwei W&M-Absolventen, Zhen Xing und Patrick McArdle, arbeiteten mit einem Team von Ingenieuren der University of Michigan zusammen, um zu testen, ob das Strahlungsgesetz von Planck, ein grundlegendes wissenschaftliches Prinzip, das auf der Quantenmechanik basiert, im kleinsten Maßstab anwendbar ist.

Um 1900 beginnt das Verstehen

Um die Jahrhundertwende begannen die Physiker zu verstehen, dass sich auf der atomaren Ebene alles im Universum wie ein Teilchen und eine Welle verhält. Sie kamen zu diesem Schluss, indem sie leichte und subatomare Partikel untersuchten. Licht ist gleichzeitig ein Strom von Teilchen, die Photonen genannt werden, und eine Welle von schwankenden elektrischen und magnetischen Feldern. µDie Lichtwellen (von denen das sichtbare Licht nur einen kleinen Teil des Spektrums ausmacht) wurden als elektromagnetische Strahlung bezeichnet, eine weitgehend unsichtbare Interaktion zwischen allen Objekten des Universums. „Die vollen Spektren dieser Wellenlängen von heißen Objekten wurden lange vor Max Plancks Erscheinen gemessen, aber niemand verstand, was vor sich ging“, sagte Qazilbash. „Die damaligen Theorien konnten es nicht erklären.“ Planck schließlich entwarf eine theoretische  Antwort, die zur Grundlage der Quantenphysik werden sollte.

„Planck hat sich eine Quantelung ausgedacht“, sagte Qazilbash. „Seine Theorie war, dass Licht nicht einfach nur eine elektromagnetische Welle ist, sondern dass es eine gequantelte elektromagnetische Welle ist. Sie wird in einzelnen Quanten, den sogenannten Photonen, emittiert und absorbiert. So konnte er dieses Phänomen erklären.“

Darüber hinaus gründete Planck seine Theorie auf der Hypothese, dass die Energie eines Photons von seiner Frequenz abhängt, d.h. die Energie elektromagnetischer Wellen wird ebenfalls gequantelt. Er artikulierte den Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz in seinem Strahlungsgesetz. Bis vor kurzem wurde angenommen, dass das Gesetz für alle Objekte im Universum gilt.

Im Jahr 2009 versuchten Physiker dann, das Gesetz auf zwei Objekte anzuwenden, die so nah beieinander lagen, dass weniger als eine Wellenlänge der Strahlung zwischen ihnen lag. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass das Gesetz nicht standhält, wenn sich die Objekte im so genannten „Nahfeld“ befinden. Qazilbash und sein Forschungsteam beschlossen, das Gesetz im Fernfeld – weiter entfernt als eine Wellenlänge der Strahlung – mit Objekten zu testen, die kleiner als eine Wellenlänge der Dicke waren. „Was unsere Arbeit zeigt, ist, dass, wenn die Objekte sehr klein sind, es eine Verletzung des Gesetzes gibt“, sagte Qazilbash. „Das wurde noch nie zuvor experimentell gezeigt.“

Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen

Ein solches Experiment erforderte die Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen, erklärte Qazilbash. Das William & Mary Physik-Team arbeitete bei diesem Projekt mit der Ingenieurabteilung der University of Michigan zusammen. Die für die Gesetzesprüfung relevanten Wellenlängen des Infrarotlichts lagen nur bei etwa 10 Mikron (etwa ein Fünftel des durchschnittlichen Querschnitts eines menschlichen Haares), so dass die Ingenieure ein noch kleineres Objekt schaffen mussten. Sie entwickelten schließlich eine nur wenige hundert Nanometer (oder weniger als einen halben Mikron) dicke Membran aus Siliziumnitrid.

Um zu sehen, ob das Gesetz anwendbar ist, platzierten die Forscher zwei identische Membranen in einem relativ großen Abstand. Anschließend erwärmten sie eine der Membranen und maßen in der zweiten den Wärmeanstieg. Wenn das Plancksche Gesetz zutrifft, dann sollte der Wärmeanstieg in der zweiten Membran mit Plancks Vorhersage übereinstimmen. Was die Forscher stattdessen fanden, war ein 100-facher Unterschied in der Strahlungswärmeübertragung, als das Plancksche Gesetz vorhergesagt hätte.

Weitreichende Implikationen

Die Implikationen für die Entdeckung einer 100-fachen Diskrepanz im Strahlungsgesetz von Planck sind umfassend und berühren fast alle Aspekte der modernen Physik, so Qazilbash. Im digitalen Zeitalter suchen Hardwareentwickler nach Möglichkeiten, kleinere und schnellere Technologien zu entwickeln. Diese Entdeckung hat das Potenzial, die Zukunft der Nanotechnologie zu verändern. „Jetzt wissen wir, dass nanoskalige Objekte Strahlung viel effektiver emittieren und absorbieren können, als wir je gedacht haben.

Qazilbash fügte hinzu, dass es nicht nur eine Entdeckung für kleine Objekte und die Nanotechnologie ist. Die Entdeckung bezieht sich auch auf die Klimawissenschaften, planetarische Atmosphären, Astrophysik und die Zusammensetzung von Sonnensystemen. „Diese Entdeckung betrifft so viele Felder“, sagte Qazilbash. „Überall dort, wo Strahlung eine wichtige Rolle in Physik und Wissenschaft spielt, ist diese Entdeckung wichtig.“

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