Haben sich die Naturkonstanten geändert?

Neulich hörte ich in einem youtube-Video, dass Aussagen über die Vergangenheit des Universums und der Erde sehr spekulativ seien, weil niemand von uns damals dabei war und man diese Prozesse nicht im Labor nachstellen könne. Die radioaktiven Datierungsmethoden seien unzuverlässig, weil sie auf nicht überprüfbaren Annahmen beruhen, zum Beispiel dass sich die Zerfallskonstanten radioaktiver Atome nicht geändert haben.

Doch es stimmt nicht, dass man nicht überprüfen kann, ob sich die Zerfallsraten geändert haben. Um diese Frage zu beantworten, holen wir etwas weiter aus und befassen uns zunächst mit der Uranlagerstätte Oklo im heutigen Gabun. Das dortige Uranerz enthält den ungewöhnlich hohen Anteil von bis zu 60 Prozent Uran. Natürliches Uran besteht hauptsächlich aus zwei Varianten: Uran-238 und Uran-235. Die Atome beider Varianten (man nennt diese Varianten Isotope) haben gleich viele Protonen, unterscheiden sich aber in der Zahl ihrer Neutronen. Auf der Erde enthält natürliches Uran normalerweise etwa 0,7 Prozent Uran-235. In bestimmten Bereichen der Lagerstätte von Oklo ist dieser Anteil aber deutlich geringer.

Warum ist der Anteil von Uran-235 dort so stark verringert? Eine mögliche Erklärung liefern die Prozesse in Kernreaktoren: Wird Uran-235 gespalten, werden mehrere Neutronen frei, die wiederum weitere Uran-235-Kerne spalten können. Bei einer solchen Kettenreaktion wird Uran-235 fortlaufend verbraucht, sodass sein Anteil am verbliebenen Uran abnimmt. Damit eine solche Kettenreaktion aufrechterhalten werden kann, müssen die bei der Spaltung entstehenden Neutronen abgebremst werden, beispielsweise durch Wasser.

Könnte also in Oklo vor langer Zeit ein natürlicher Kernreaktor gelaufen sein? Um diese Vermutung zu überprüfen, untersuchten Wissenschaftler, ob die geologischen Bedingungen eine solche Kettenreaktion ermöglichten und ob sich weitere Spuren finden lassen. Mathematische Berechnungen auf Grundlage der bekannten Gesetze der Kernphysik zeigen, dass eine Kettenreaktion möglich war, sobald Grundwasser in die Lagerstätte eindrang. Und tatsächlich fanden die Wissenschaftler deutliche Hinweise darauf, dass eine solche Reaktion stattgefunden hatte: Im Gestein sind Isotope verschiedener Elemente zu finden, die bei solchen Kernspaltungsreaktionen entstehen. Die Entstehung der Uranlagerstätte lässt sich mithilfe der Uran-Blei-Methode auf ungefähr zwei Milliarden Jahre datieren. Auch die Untersuchung der bei der Kettenreaktion entstandenen Isotope und ihrer Zerfallsprodukte zeigt, dass der natürliche Reaktor vor ungefähr zwei Milliarden Jahren in Betrieb war.

Aus den Spuren, die dieser natürliche Kernreaktor hinterlassen hat, können wir überprüfen, ob die Naturkonstanten, die in der Kernphysik eine Rolle spielen, damals dieselben waren wie heute. Eine Veränderung dieser grundlegenden Größen würde jede Art von Kernreaktion beeinflussen: Kernspaltung, radioaktive Zerfallskonstanten und auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atomkern ein bei der Kernspaltung frei werdendes Neutron einfängt. Ein besonders aussagekräftiges Beispiel ist Samarium-149. Dieses Isotop fängt Neutronen besonders effizient ein und wird dadurch zu Samarium-150. Aus dem Verhältnis der verschiedenen Samarium-Isotope im Gestein lässt sich deshalb rekonstruieren, wie häufig der Neutroneneinfang während der natürlichen Kettenreaktion stattgefunden hat. Die gemessenen Werte stimmen mit Berechnungen überein. Wäre eine Naturkonstante damals auch nur wenig anders gewesen, hätte dies die Einfangrate deutlich geändert.

Ein weiterer Beleg für die gleichgebliebene Naturkonstanten ist, dass verschiedene radioaktive Datierungsmethoden übereinstimmende Datierungen liefern, nicht nur wie eben erwähnt für den Oklo-Reaktor, sondern z.B. auch für das Alter der Erde. Hätten Naturkonstanten sich geändert, würden diese Änderungen sich verschieden auf verschiedene Zerfälle und Kernreaktionen auswirken, so dass im Allgemeinen keine Übereinstimmung mehr resultieren würde.

Auch Supernova-Explosionen liefern Hinweise darauf, ob radioaktive Zerfallsraten über lange Zeiträume gleich geblieben sind. Bei einer Supernova entstehen radioaktive Isotope, beispielsweise Nickel-56, das über Kobalt-56 zu Eisen-56 zerfällt. Die dabei frei werdende Energie beeinflusst die Helligkeit der Explosion. Astronomen beobachten nicht nur, wie sich diese Helligkeit mit der Zeit verändert, sondern untersuchen auch die charakteristische Strahlung der beteiligten Elemente. Weil das Licht vom Ort der Supernova-Explosion zu uns lange Zeit unterwegs ist, beobachten sie hierbei Prozesse, die in der Vergangenheit stattgefunden haben. Ein Beispiel ist die Supernova SN2014J, die im Jahr 2014 in der Galaxie M82 beobachtet wurde und etwa 11.5 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Die von dort ausgesandte Strahlung war also 11.5 Millionen Jahre bis zu uns unterwegs. Aus diesen Beobachtungen lässt sich rekonstruieren, wie sich die Mengen der radioaktiven Isotope und ihrer Zerfallsprodukte in den Monaten nach der Explosion verändert haben. Die daraus ermittelten Zerfallsraten sind im Rahmen der Messgenauigkeit identisch mit den heutigen.

Vertreter einer jungen Erde hinterfragen aber nicht nur die radioaktiven Zerfallsraten, sondern denken auch darüber nach, dass die Lichtgeschwindigkeit sich geändert haben könnte. Wenn die Lichtgeschwindigkeit früher höher war, war das Licht von entfernten Galaxien bis zu uns nicht so lange unterwegs, wie die Astrophysiker annehmen, und das Universum könnte jünger sein. Doch auch diese These wurde in der Wissenschaft überprüft. Die Lichtgeschwindigkeit beeinflusst nicht nur die Ausbreitung des Lichts, sondern tritt in vielen Formeln der Physik auf, insbesondere in der sogenannten Feinstrukturkonstanten. Der Wert der Feinstrukturkonstanten beeinflusst nicht nur radioaktive Zerfallsraten, sondern auch die Energieniveaus der Elektronen im Atom und damit die Absorptionsspektren von Sternen und Galaxien. Dazu untersucht man unter anderem das Licht von Quasaren, also leuchtkräftigen Zentren ferner Galaxien. Auf seinem Weg zu uns durchquert ihr Licht Gaswolken, in denen bestimmte Atome und Ionen einen Teil des Lichts absorbieren. Dadurch entstehen im Spektrum dunkle Linien, deren Wellenlängen von den Energieniveaus der jeweiligen Atome abhängen. Wäre die Feinstrukturkonstante früher anders gewesen, hätten sich die Abstände zwischen bestimmten Spektrallinien verändert. Aber die Messungen zeigen bisher keine Hinweise darauf, dass sich die Feinstrukturkonstante im Laufe der Zeit verändert hat.

Es wird auch geprüft, ob sich grundlegende Naturkonstanten in der jüngeren Vergangenheit geändert haben. Dazu vergleicht man hochpräzise Atomuhren, deren Schwingungen auf unterschiedlichen Übergängen in Atomen beruhen. Würde sich etwa die Feinstrukturkonstante ändern, würden sich diese Schwingungen nicht alle im gleichen Maß verändern. Das Verhältnis der Uhren zueinander würde sich deshalb messbar verschieben. Solche Vergleiche sind inzwischen so genau, dass sie selbst winzige Veränderungen über wenige Jahre erfassen könnten. Doch solche Veränderungen hat man bisher nicht gefunden.

Wir sehen also, dass die Konstanz der Naturkonstanten keineswegs ungeprüft vorausgesetzt wird. Im Gegenteil: Wissenschaftler untersuchen mögliche Veränderungen auf ganz unterschiedlichen Wegen: anhand natürlicher Kernreaktoren wie Oklo, durch den Vergleich radioaktiver Datierungsmethoden, durch die Spektren ferner Quasare und mit hochpräzisen Atomuhren. Bisher gibt es keinen überzeugenden Nachweis dafür, dass sich die Naturkonstanten verändert haben. Die Messungen setzen möglichen Veränderungen enge Grenzen. Selbst wenn sich einzelne Größen geringfügig verändert haben sollten, würde das die wissenschaftlichen Altersbestimmungen nicht grundsätzlich infrage stellen. Unsere Erkenntnisse über das Alter der Erde und des Universums stehen also auf einem soliden Fundament.

Eine kurze Übersicht zur Frage, ob sich die radioaktiven Zerfallsraten geändert haben, ist hier. Ein Beitrag zur Frage, ob die Lichtgeschwindigkeit abgenommen hat, ist hier. Ein sehr ausführlicher physikalischer Fachartikel zur Konstanz der Naturkonstanten ist dieser.

Verwandt mit diesem Blogeintrag ist ein früherer zur Frage, ob Wissenschaft nur Gegenwärtiges erforschen kann.

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