Frage von Schweinsbraten4, 98

Wie genau sind die Naturkonstanten bekannt?

Ich kenne mich schon ein bisschen aus, ihr braucht mir bitte nicht sagen, dass sich manche Naturkonstanten auch ändern und dass es viele gibt, welche ich denn meine. Jede Naturkonstante würde mich interessieren.

Welche ist am Genauesten bekannt?

Welche ist nur ungenau bekannt?

Wie genau sind die Folgenden bekannt? Planck-Länge, Lichtgeschwindigkeit, Masse eines Protons, Größe eines Protons, die Zahl Pi.

Ihr könnt mir gerne alles was interessant ist und zum Thema passt in die Antwort werfen.

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von uteausmuenchen, Community-Experte für Astronomie & Physik, 44

Hallo Schweinsbraten4,

ihr braucht mir bitte nicht sagen, dass sich manche Naturkonstanten auch ändern

vorsicht vor manchen Falschmeldungen... nach allem, was wir wissen, sind die Naturkonstanten sogar mit sehr guter Genauigkeit konstant. Deswegen nennen wir sie so.

Größen, von denen Physiker mittlerweile vermuten, dass sie nicht konstant sind, nennen wir auch anders. Zum Beispiel die "Hubble-Konstante", die heute in der Kosmologie "Hubble-Parameter" genannt wird, weil wir davon ausgehen, dass es sich eben nicht um eine Konstante, sondern um eine sich mit der Zeit (über seeehr lange Zeiträume) ändernden Parameter handelt.

Immer wieder geistern Meldungen durch die Presse, die Naturkonstanten wären zeitlich nicht konstant. Tatsächlich ist deren Konstanz erst einmal eine Hypothese, die es zu überprüfen gilt. Wenn man nun ein wenig von Messtechnik versteht, dann leuchtet schnell ein, dass jede Messung fehlerbehaftet ist. Messen wir also mit verschiedenen Methoden die Naturkonstanten, dann gibt es in den Messwerten auch einmal Abweichungen. Das heißt dann aber noch nicht, dass die Naturkonstanten tatsächlich schwanken. Es könnte auch ein Messfehler sein. Erst möglichst genaue und wiederholte Messungen ergeben hier zuverlässige Werte.

Und das Ergebnis bisher ist: Ja, die Naturkonstanten waren über das Alter des beobachtbaren Universums in guter Näherung konstant.

Nehmen wir einmal 2 Beispiele, bei denen durch die Presse ging, sie wären nicht konstant:

1) Feinstruktur-Konstante Alpha

Das ist eine besonders interessante Naturkonstante, weil sie mit anderen Naturkonstanten mathematisch verknüpft ist, nämlich mit der Elementarladung, der Lichtgeschwindigkeit, dem Planckschen Wirkungsquantum und der elektrischen Feldkonstante. Würde man also messen, dass Alpha konstant ist, dann ist das schon mal ein guter Hinweis, dass jede dieser anderen 4 Konstanten auch konstant ist.

Tatsächlich konnte man vor etwa 12 Jahren lesen, dass Ergebnisse am Keck-Observatorium nahelegen würden, dass Alpha über die Jahrmilliarden hinweg langsam abnehmen würde. Heute wissen wir, dass es sich dabei um einen Messfehler gehandelt hat. Es gibt zwei andere unabhängige Ergebnisse, die belegen, dass Alpha konstant ist. Die erste Messung stammt aus dem radioaktiven Zerfall von Uran und ergibt ein konstantes Alpha für die letzten 2 Milliarden Jahre. Die zweite uns spektakulärere Messung. Die Gruppe um Theodor Hänsch (die auch für Präzessionsmessungen der Rydberg-Konstanten verantwortlich war) konnte nachweisen, dass Alpha über mehrere Jahre auf 10 hoch minus 15 Stellen hinter dem Komma konstant ist.

2) Sheldrake behauptet in der Öffentlichkeit immer wieder, die Lichtgeschwindigkeit wäre in den 1930ern anders gewesen als heute, was Physiker vertuschen würden.

Mit Verlaub, das ist kompletter Unsinn... ;-)

Richtig ist, dass es in den 1930ern eine Messung gab, die vom heutigen Wert abweicht. Bei dieser handelt es sich wohl einfach um eine Fehlmessung. Es war das erste Experiment mit einer neuen Messtechnik, also ein noch unerprobtes Verfahren. Die Wissenschaftler hatten damals mit Schwierigkeiten zu kämpfen (hohe Luftverschmutzung durch Waldbrände in der Nähe der Anlage) und haben vermutlich deshalb den Messfehler zu klein abgeschätzt. Da der Wert von c damals noch nicht so bekannt war, wie heute, hatte man keine Ahnung, dass man einen schlechten Wert produziert hatte - und beute die Anlage ab, was eine Fehlersuche im Nachhinein unmöglich macht.

Der Wert von c ist bis in die 80er Jahre hinein mit immer höherer Genauigkeit gemessen worden und alle diese präzisen Messungen lieferten übereinstimmende Werte. Da man Zeiten sehr präzise messen kann, hat man sich dann entschlossen, den damaligen Wert von c als exakt zu definieren - und den bis dahin geeichten Meter zur Messgröße zu erklären. Das Ganze geschah also, um damit höhere Messgenauigkeiten zu erreichen. Die letzten Messungen der Lichtgeschwindigkeit stammen aus den 1970ern durch die "Boulder-Gruppe" und waren auf 3 Nachkommastellen genau (http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/sp958-lide/191-193.pdf))

Dass Sheldrakes Geschichte von der nicht-konstanten Lichtgeschwindigkeit Unsinn ist, das merkt man allein daran, dass auch c mit anderen Naturkonstanten verknüpft ist - der elektrischen Feldkonstante und der Permeabilitätskonstante. Elektromagnetische Anomalien hat aber in den 1930ern niemand dokumentiert....

Ein anderes Beispiel für einen sehr guten Nachweis für die Konstanz der Naturkonstanten sind neuere Messungen, die das Verhältnis von Protonen und Elektronenmasse zueinander auf 16 Nachkommastellen genau überprüfen:

http://www.welt.de/wissenschaft/article134715113/Wie-konstant-sind-Naturkonstant...

Nicht alle Naturkonstanten sind so genau bekannt. Der Messfehler bei der Gravitationskonstanten ist zum Beispiel im Promillebereich und damit recht groß. Andere, wie die Rydbergkonstante sind sehr gut bestimmt.

Eine Übersicht findest Du zum Beispiel hier:

https://web.archive.org/web/20060614194949/http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ger...

Grüße

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 38

Es gibt keine größere Genauigkeit als Exaktheit, weshalb keine Konstante genauer definiert sein kann als eine, durch die eine Maßeinheit definiert ist statt umgekehrt. Und das gilt z.B. für c.
Nicht mal π, das man auf Billionen von Nachkommastellen kennt, ist so genau bekannt (wobei ich π aber auch nicht unbedingt als Naturkonstante bezeichnen würde, sie ist als Zahl ja gewissermaßen »übernatürlich«, d.h. nicht an ein Universum mit diesen konkreten Naturgesetzen gebunden).

Kommentar von Schweinsbraten4 ,

Stimmt, die Maßeinheiten sind ja an die Naturkonstanten gebunden. 

Antwort
von Mikkey, 49

Die Zahl Pi kann in jeder gewünschten Genauigkeit berechnet werden, das gilt auch für alle anderen mathematischen Werte.

Relativ ungenau ist die Gravitationskonstante (4. Stelle nach dem Komma) bekannt. Ganz schlimm sieht es bei der Hubble-"Konstante" aus
mit 3% Unsicherheit.

Achso - Lichtgeschwindigkeit ist absolut genau, weil der Meter durch sie definiert ist.

Kommentar von PWolff ,

Ebenso genau sind Permeabilität und Polarisierbarkeit (Dielektrizitätskonstante) des Vakuums, da das Ampere über μ₀ definiert ist und c² ε₀ μ₀ = 1

Antwort
von lks72, 34

Nach 5 Sekunden Googeln findet man, dass die Rydbergkonstante die am genauesten bekannte Naturkonstante ist. Zu allen anderen Naturkonstanten findet man ähnliches.

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