Guten Morgen. Ich dachte mir, dass ich Ihnen mehr über präzise Spektroskopie erzählen könnte.
Mein Interesse an diesem Forschungsgebiet reicht 40 Jahre zurück, und eine Hauptmotivation war es,
bei dem einfachsten Atom, atomarem Wasserstoff, eine sehr präzise Spektroskopie durchzuführen.
Als Wissenschaftler möchten wir natürlich alle eine wichtige Entdeckung machen,
aber weil jede neue Entdeckung selbstverständlich im Vorfeld nicht bekannt sein kann ...
wissen wir nie, ob das, was wir entdecken, wichtig sein wird.
Jedoch sollten wir zumindest den Ehrgeiz haben, etwas Neues zu entdecken, das vorher nicht bekannt war.
Wie geht man dabei nun vor?
Eine gute Strategie besteht darin, sich dort umzuschauen, wo sich noch nie zuvor jemand umgeschaut hat.
Eines der besten Beispiele im Bereich der Teilchenphysik ist es, höhere und noch höhere Energien zu untersuchen.
Wir warten gerade alle mit Spannung auf die Pressekonferenz um 11 Uhr, bei der man uns mitteilen wird,
welche Beweise für die Existenz des Higgs-Bosons zusammengetragen wurden.
Ein anderer Neulandbereich, in dem man sich ebenfalls dort umschauen kann, wo sich noch niemand zuvor umgeschaut hat,
liegt in der Erstellung von immer präziseren Messungen.
Präzisionsmessungen spielen in vielen Forschungsgebieten von Wissenschaft und Technik eine wichtige Rolle.
Wann immer Sie etwas auf mehr Nachkommastellen genauer messen können als andere vor Ihnen, haben Sie eine Chance,
dort zu schauen und zu suchen, wo niemand zuvor geschaut und gesucht hat.
Aller Wahrscheinlichkeit nach werden Sie etwas Überraschendes finden.
Und wenn Sie sehr viel Glück haben, mag es sein, dass Sie etwas von grundlegender Bedeutung entdecken werden.
Hier sind einige andere Beispiele für Dinge von grundlegender Bedeutung,
die mit Hilfe von Präzisionsmessungen entdeckt wurden: Ja, Einsteins System für Raum und Zeit
und seine spezielle und allgemeine Relativitätstheorie basieren auf präzisen Messungen.
Ein anderes Forschungsfeld ist das Gebiet der Quantenphysik.
Das einfache Balmer-Spektrum des Wasserstoffs war tatsächlich der Rosettastein
für die Entzifferung der seltsamen Regeln der Quantenphysik.
Und mehr als einmal haben scheinbar winzige Unstimmigkeiten zwischen Beobachtung
und Theorie zu großen konzeptuellen Durchbrüchen geführt, einschließlich der relativistischen Quantenmechanik von Dirac
und der Entdeckung der Lamb-Verschiebung, des Beginns der Quantenfeldtheorien.
Mit der Erfindung des Lasers vor ungefähr 50 Jahren wurden Werkzeuge geschaffen, die es uns ermöglichen,
uns Wasserstoff noch genauer anzuschauen und herauszufinden,
ob wir im Laufe dieser Arbeit abermals etwas Unerwartetes entdecken werden.
Das Wettrennen, den ersten Laser herzustellen, wurde durch einen von Art Schawlow und Charlie Townes verfassten Aufsatz ausgelöst.
Für Maser und Laser erhielt Charlie Townes zusammen mit Bassow und Prochorow aus Russland den Nobelpreis.
Seitdem wurden etliche Nobelpreise für Forschungsarbeiten, die sich mit dem Laser beschäftigen, vergeben.
Gabor erhielt einen Nobelpreis für Holografie, Blumberg und Schawlow bekamen einen Nobelpreis für Laser-Spektroskopie.
Chu, Tannoudji und Philips für Laser-Kühlung. Zewail für Femtochemie. Alfjorow und Krömer für Halbleiter-Laser.
Cornell, Ketterle und Wieman für Bose-Einstein-Kondensation von ultrakalten Gasen. Roy Glauber für Quantenoptik.
John Hall und ich für diese Präzisionsarbeit. Und zuletzt Kao für Glasfaseroptik.
Ich bin mir ziemlich sicher, dass sich dieser Trend fortsetzen wird und einige von ihnen die Chance haben,
in diese Bilanz aufgenommen zu werden.
Meine eigene Arbeit zu Wasserstoff begann, als ich als Postdoc mit Art Schawlow an der Stanford University zusammenarbeitete.
Zu jener Zeit hatten wir einen weitgehend durchstimmbaren Farbstofflaser entwickelt, der so monochromatisch war,
dass man die Doppler-freie Sättigungsspektroskopie anwenden konnte.
Wir wendeten dies auf die rote Balmer-Alpha-Linie von Wasserstoff an
und konnten sofort einzelne feine Strukturkomponenten der Linie auflösen, die zuvor noch nie optisch aufgelöst worden waren.
Insbesondere konnten wir die direkte Auflösung der Lamb-Verschiebung im optischen Spektrum erkennen.
Das ist eine kleine Energie-Differenz zwischen dem S- und dem P-Zustand.
Im S-Zustand kommt das Elektron nahe an den Kern heran und lässt den Kern verwischt aussehen,
denn es "jittert" aufgrund von Vakuumfluktuationen herum. Dies war eine intuitive Erklärung, die von Bethe gegeben wurde.
Dies war der Beginn eines Abenteuers, das heute andauert, wo wir versuchen,
das einfachste aller Atome mit immer höherer Auflösung und immer höherer Messgenauigkeit zu untersuchen.
Wir haben jetzt eine Präzision von 15 Dezimalstellen erreicht. Und haben wir etwas Neues entdeckt? Vielleicht.
Ich werde es Ihnen am Ende sagen.
Aber diese über viele Dekaden andauernde Reise hat wohl ziemlich viele neue Ansätze für Spektroskopie-Erfindungen inspiriert.
Beispielsweise wurde die ursprüngliche Idee der Laserkühlung von Atomgasen durch die Wasserstoff-Spektroskopie angeregt,
ebenso die Idee des Frequenzkamms. John Hall hat Ihnen gezeigt, wie Uhren verbessert werden.
Frequenzkämme machen es möglich, optische Atomuhren herzustellen.
Diese Uhren sind nun so genau, dass Sie eine gravitative Rotverschiebung beobachten können,
wenn Sie eine Uhr nur um zehn Zentimeter erhöhen. Dies wird durch die Arbeit von Jim Bergquist und seinen Kollegen
am NIST (National Institute of Standards and Technology = Nationales Institut für Standards und Technologie)
in Boulder nachgewiesen.
Um in der Spektroskopie sehr präzise Messungen vorzunehmen, braucht man natürlich sehr scharfe Linien.
Es gibt eine sehr scharfe 2-Photonen-Resonanz bei Wasserstoff, den man mit ultraviolettem Licht anregen kann.
Das ist in der Tat scharf und sollte eine natürliche Linienbreite von nur 1,3 Hertz
im Vergleich zu einer optischen Frequenz von 10 bis 15 Hertz haben.
Damals, im Jahr 1975 begannen wir, diese Linie zu untersuchen, und verwendeten dabei Doppler-freie 2-Photonen-Spektroskopie,
zwei Laserstrahlen, die aus entgegengesetzten Richtungen kommen, so dass die erste die Doppler-Verschiebungen aufgehoben wird.
In unseren derzeitigen Experimenten verwenden wir noch immer keine Laserkühlung.
Sie sind keine guten, geeigneten Quellen für Lyman-Alpha-Strahlung.
Wir kühlen Atome mittels Kollisionen mit einer Düse, die sich auf dem Boden eines Helium-Kryostats befindet.
Diese Atome werden durch ein optisches Feld in einen optischen Resonator geschickt, so dass sie angeregt werden können.
Etwa zehn Zentimeter weiter prüfen wir, indem wir ein elektrisches abkühlendes Feld einsetzen.
Wenn sich die Atome im angeregten metastabilen Zustand befinden, geben sie Lyman-Alpha-Photonen ab,
die wir schon vor langer Zeit entdeckt haben, indem wir uns einfach eines Solar-Blind-Photoelektronenvervielfachers bedienten.
Wenn Sie das Laserlicht zerlegen und nach zeitversetzten Signalen Ausschau halten,
können Sie im Wesentlichen mit Hilfe von Selektion nach der Geschwindigkeit besonders langsame Atome heraussuchen.
Somit können Sie, obwohl die Atome im Durchschnitt nicht so kalt sind, in diesen Arten von Experimenten Temperaturen,
effektive Temperaturen von ungefähr 50 Millikelvin erreichen.
Und Sie können eine Resonanz feststellen, die noch nicht 1 Hertz ist,
aber wir befinden uns im Bereich von Hundertsteln von Hertz bei der Auflösung.
Um das einzuschätzen, sollte man dieses Spektrum mit dem sichtbaren Balmer-Spektrum vergleichen,
das wir uns vorhin angeschaut haben. Wenn Sie beide auf derselben Skala darstellten,
dann könnte man dieses 2-Photonen-Spektrum um den Äquator der Erde herumwickeln - und zwar nicht nur einmal,
sondern bei dieser Auflösung ungefähr 20.000mal.
Um solchen schmalen Resonanzen gerecht zu werden, gab Art Schawlow einen guten Ratschlag.
Er sagte: "Sie müssen die Frequenz des Lichts messen.
Wellenlängen zu messen macht ab zehn Dezimalstellen keinen Sinn mehr."
Und er sagte weiter: "Wann immer Sie etwas sehr präzise messen möchten, versuchen Sie, es als eine Frequenz zu messen,
denn eine Frequenz zu messen, also die Anzahl der Zyklen pro Sekunde zu zählen, ist an sich ein digitales Verfahren,
dass gegenüber vielen Arten von Rauschen immun ist."
Die Frequenz des Lichts zu messen war jedoch lange Zeit eine Herausforderung. Wir arbeiteten ungefähr zehn Jahre daran
und machten uns dabei eine große harmonische Laser-Frequenz-Kette
an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig zu Nutze,
bis uns spät in den 1990er Jahren tatsächlich eine Messung dieser Wasserstoff-Resonanz gelang,
die zu jener Zeit die genaueste Messung einer ultravioletten oder sichtbaren optischen Frequenz war.
Von dieser Frequenz und anderen spektroskopischen Daten des Wasserstoffs konnten wir einen neuen Wert
für die Rydberg-Konstante ableiten. Man konnte die Lamb-Verschiebung des Grundzustands von Wasserstoff messen
und auf diese Weise einen neuen Test für die Quantenelektrodynamik des gebundenen Zustands bereitstellen.
Und wenn Sie der Theorie der Quantenelektrodynamik vertrauen, konnten diese spektroskopischen Messungen verwendet werden,
um den Ladungsradius des Protons sowie den Strukturradius des Deuterons zu bestimmen.
Aber dies bedeutete, wie ich sagte, zehn Jahre Arbeit,
und wir hätten während der gesamten Zeit in der Karibik segeln gehen können,
wenn wir einfach auf das Erscheinen des Frequenzkamms gewartet hätten.
Das war eine Erfindung, die das Leben auf einmal sehr einfach machte.
Wir verfügen also nun über dieses Werkzeug, mit dem wir jede optische Frequenz mit verblüffender Präzision messen können.
Wir haben eine phasenkohärente Verbindung zwischen optischen und Radio-Frequenzen
und wir haben einen Uhrwerk-Mechanismus für optische Atomuhren.
Wenn Sie mehr über diese Entwicklung aus meiner persönlichen Perspektive erfahren möchten,
können Sie den veröffentlichten Nobelvortrag lesen.
John Hall hat uns bereits erzählt, wie ein Frequenzkamm funktioniert, daher werde ich Ihnen dies nur kurz ins Gedächtnis rufen.
Dem Ganzen liegt ein modengekoppelter Laser, ein Femtosekunden-Laser zu Grunde.
In seiner elementarsten Form würde es sich um einen optischen Resonator handeln, der aus zwei Spiegeln besteht.
Sie haben einen kurzen Lichtblitz, der hin und her springt.
Dies ähnelt den Lichtuhren, dem Einstein'schen Gedanken der Lichtuhr, mit der Ausnahme, dass es sich um einen Laser handelt.
Wir haben ein verstärkendes Medium, zum Beispiel Titan-Saphirglas.
Und so können wir es in Gang halten, auch wenn wir eine Folge von Femtosekunden-Pulsen auskoppeln.
Die Kamm-Natur kommt zustande, wenn wir dasselbe Phänomen auf andere Art und Weise betrachten.
Man könnte argumentieren, dass wir statt dieses Lichtblitzes einen Laser haben, der in einer Anzahl von Eigenmoden,
von stehenden Wellen des Resonators operiert. Sie sind alle die gesamte Zeit über an.
Sie unterscheiden sich in der Anzahl der halben Wellenlängen und daher in der Frequenz.
Wenn sich alle diese Wellen in Phase befinden, ergibt sich eine konstruktive Interferenz und man erhält einen hellen Lichtblitz.
In der Zeit der Dunkelheit zwischen diesen Blitzen sind die Moden weiterhin an,
aber sie heben sich durch gegenseitige Interferenz jeweils auf.
Dank der Arbeit in der "ultrafast-Community" gibt es Tricks, die sicherstellen, dass man tatsächlich kurze Pulse erzeugt.
Und diese Tricks der nichtlinearen Optik, wie die Kerr-Linsen-Modenkopplung, gewährleisten,
dass die Abstände zwischen angrenzenden Kammlinien sehr, sehr genau der Pulswiederholungsfrequenz entsprechen.
Dies wurde, glaube ich, experimentell auf bis zu 21 Dezimalstellen bestätigt.
Hier ist ein Versuch, einen Frequenzkamm mechanisch zu illustrieren.
Stellen Sie sich vor, dass Sie eine Anordnung von Pendeln haben, die so getrimmt sind,
dass das erste Pendel 30 Mal pro Minute schwingt, das nächste 31 Mal, das übernächste 32 Mal und so weiter.
Jedes Pendel entspricht einer jener Moden des Lasers.
Wenn sie alle in Phase sind, wenn sie alle ausgerichtet sind, dann sendet der Laser seinen kurzen Lichtblitz aus.
Wenn ich dann loslasse, dann geraten sie selbstverständlich schnell außer Phase
und können sich dann gegenseitig durch Interferenz aufheben.
Die Pendel schwingen also noch immer, aber wir sehen diese konstruktive Interferenz nicht.
Aus dieser Perspektive sieht es gewissermaßen so aus, als ob es chaotisch oder zufällig sein könnte.
Das stimmt nicht ganz, Sie sehen, dass hier Muster, Korrelationen zum Vorschein kommen.
Und mit etwas Übung könnten Sie lernen, aus dieser Art von Pendel-Anordnung die Zeit abzulesen.
Zum Beispiel ist nun eine halbe Minute vergangen. Man könnte überlegen, diese Anordnung als Eieruhr in der Küche zu verwenden
oder Sie könnten Sie zur Meditation in Ihrem Büro einsetzen.
Oder man könnte ein großes Exemplar draußen als Kunst unter freiem Himmel aufstellen.
Einige Labore haben tatsächlich mechanische Pendel-Anordnungen konstruiert.
Sie müssen alle sehr sorgfältig getrimmt werden, damit sie am Ende wieder in Phase sind.
Die Minute ist nun verstrichen und jetzt würde der Laser einen zusätzlichen kurzen Lichtblitz aussenden.
Es handelt sich um sehr einfache Prinzipien, aber es war immer noch überraschend.
Es war noch immer für die meisten Experten überraschend, wie weit diese Prinzipien vorangetrieben werden konnten -
dass man eine dieser Regenbogen-Fasern nehmen und das nach außen gehende Spektrum eines Titan-Saphir-Lasers verbreitern konnte,
um das gesamte sichtbare Spektrum auszufüllen, und immer noch einen Kamm hatte.
Unser erster Frequenzkamm ist mittlerweile ein Museumsstück. Er wurde dem Deutschen Museum in München überreicht.
Einige meiner Studenten haben ein Unternehmen, das Ihnen einen Frequenzkamm als Fertigteil-Instrument verkaufen wird.
Sie können es anschalten und brauchen nicht weiter darüber nachzudenken.
Es wird monatelang pausenlos laufen und ein sehr präzises Messwerkzeug abgeben.
Und was Sie bekommen, ist ein Regenbogen von Farben, aber nicht ein kontinuierliches Spektrum,
sondern vielleicht eine Million scharfer Spektrallinien,
die durch die Pulswiederholungsfrequenz präzise gleichmäßig verteilt sind.
Es gibt hier das Problem der Abweichung der Phase des elektrischen Felds relativ zu der einhüllenden Phase,
welche diesen gesamten Kamm mittels einer im Prinzip unbekannten Frequenz bewegen wird, die fCEO genannt wird,
die Träger-einhüllende-Phase dieser Frequenz.
Wenn Sie jedoch einen Regenbogen haben, einen Kamm, der eine Oktave umfasst, gibt es einfache Tricks,
wie Sie diese Abweichungs-Frequenz messen können, und wenn man sie messen kann,
kann man auch verschiedene Steuerungsmöglichkeiten nutzen, um sie zu beseitigen.
Vielleicht werden wir zukünftig Frequenzkämme im Miniaturformat erleben.
Das Titelbild von Nature Photonics der Juli-Ausgabe dieses Jahres zeigt ringförmige Mikrokavitäten,
die aus optischen Kristallen herausgeschliffen wurden.
Diese können optische Moden aufrechterhalten, und mit Hilfe von kaskadierter Vierwellenmischung können Sie Frequenzkämme erzeugen.
Die Größe einer solchen Kavität kann Millimeter oder Zehntel-Mikrometer betragen.
Wir können also davon ausgehen, dass wir eines Tages Frequenzkämme in unserer Armbanduhr haben werden.
Wie nutzt man einen solchen Kamm, um die Frequenz von Wasserstoff zu messen?
Anlässlich des Nobelpreises wurde ein Poster veröffentlicht, das darstellt, wie man vorgehen könnte.
Man hat einen durchstimmbaren Laser, man schickt einige dieser scharfen Laserlinien auf die Wasserstoffatome und schaut,
ob sie durch das Licht angeregt werden.
Die Atome werden natürlich nur angeregt, wenn Sie diese sehr scharfe Resonanz treffen.
Dann senden Sie den anderen Teil des Strahls zu dem Frequenzkamm
und betrachten den Schwebungsknoten zwischen dieser Laser-Frequenz und der nächsten Kammlinie,
deren Frequenz man in Bezug auf eine Caesium-Atomuhr präzise kennen kann.
Durch den Schwebungsknoten wissen Sie, wie weit Sie von dieser präzise bekannten Referenzlinie entfernt sind.
In der Realität sieht das Experiment ein klein wenig komplizierter aus.
Was Sie sehen, ist ein Blick in unser Labor, wie es sich über Jahrzehnte entwickelt hat,
mit dem Wasserstoffatom-Strahl im Vordergrund und einem Lasertisch im Hintergrund.
Früher verwendeten wir bei unserer Arbeit einen Farbstofflaser, nun setzen wir alle Festkörper-Halbleiter-Laser-Systeme ein.
Natürlich brauchen wir eine Referenz.
Bisher hatten wir das Glück, dass die Kollegen aus Frankreich sich bereit erklärten,
uns die genaueste transportierbare Caesium-Fontänenuhr, eine Mikrowellen-Uhr, nach Garching zu bringen.
Hier haben wir Michel Abgrall aus dem Observatorium, der gerade einige Dioden-Laser für die Kühlung der Caesium-Atome justiert.
Die Caesium-Atome werden in einer Fontäne nach oben geworfen und fallen durch eine Mikrowellen-Kavität wieder zurück.
Hier sehen wir unser Team in der aktuellsten Besetzung: Christian Parthey, der vielleicht auch hier anwesend ist,
den ich aber noch nicht gesehen habe, Arthur Matveev, Nikolai Kolachevsky, Janis Alnis, Postdocs.
Sie haben eine neue Messung dieser Wasserstoff-Frequenz erstellt, die nun eine Unbestimmtheit von 4,2 mal 10^-15 besitzt,
indem sie die Wasserstoff-Resonanz wieder mit der Caesium-Fontänenuhr verglichen, die Ende letzten Jahres herauskam.
Die Ergebnisse dieses Experiments werden mit früheren Messungen verglichen, die im Jahr 1999 vorgenommen wurden.
Die allererste Messung einer optischen Frequenz mit einem Kamm wurde in einem Experiment 2003 durchgeführt.
Dabei stellten wir fest, dass es einige lästige systematische Effekte gab,
denn an einem bestimmten Tag bekommen wir relativ geringfügige statistische Fehler,
aber wenn wir uns die Messungen von verschiedenen Tagen anschauen, gibt es Fluktuationen,
die anscheinend durch unkontrollierte systematische Fehler verursacht werden.
Ich war daher erleichtert, als ich feststellte, dass das neue Experiment nicht von diesen großen Fehlern beeinträchtigt wurde
und dass wir uns fast innerhalb der Fehlergrenzen der alten Messung bewegen.
Es gibt ein bislang unveröffentlichtes, noch aktuelleres Datenset, das hier dargestellt wird
und noch geringere statistische Fehler enthält. Das war eine Messung, die im November 2010 vorgenommen wurde.
Zu jener Zeit hatten wir die Caesium-Uhr aus Paris nicht mehr. Allerdings hatten wir erstmals eine Frequenzverbindung,
eine Glasfaserverbindung zwischen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig
und unserem Labor in München in Betrieb. Dies ist eine Verbindung, die existierende Kommunikationsleitungen nutzt,
insgesamt 920 Kilometer. Wir müssen uns Gedanken über den Höhenunterschied unserer zwei Labore machen,
der eine gravitative Rotverschiebung von 4,4 mal 10^-14 ergibt.
Katharina Predehl hat soeben letzten Monat ihren Doktortitel erhalten und sie ist Erstautorin eines Artikels,
der kürzlich in Science erschien und diese Verbindung beschreibt.
Wir haben also im Wesentlichen zwei Uhrenlaser, die wir vergleichen wollen. Wir verwenden Frequenzkämme,
um einige Einfrequenz-Laser in dem Kommunikationsband bei 1,5 Mikrometer an diese optischen Standards zu koppeln.
Und wir schicken dieses Licht durch die Leitung. Wir brauchen Verstärker.
Auf der Länge der 900 Kilometer haben wir neun Verstärker.
Und tatsächlich gibt es dort zwei unabhängige bidirektionale Verbindungen, die für die Charakterisierung benötigt werden.
Wir sind sehr erfreut, dass wir hier bei der Betrachtung der sogenannten Allan-Deviation,
minimale Instabilität verglichen mit Integrationszeit,
sehen, dass wir minimale Instabilitäten von 10^-18 bei Messzeiten von weniger als 20 Minuten erreichen.
Wenn man zwei entfernte optische Uhren miteinander vergleichen möchte - ich meine, dies wird definitiv die Methode der Wahl sein.
Optische Uhren müssen selbstverständlich für viel längere Zeiten beschrieben werden, um diese 10^-18-Grenze zu erreichen.
Und ich bin nun optimistisch, dass wir bald sogar noch bessere Ergebnisse bekommen werden,
denn nachdem dieses Experiment beendet worden war, testeten einige aus unserem Labor, darunter Arthur Matveev,
einen neuen Detektor.
Statt den Photoelektronenvervielfacher zu benutzen, um Lyman-Alpha-Photonen zu betrachten, verwendete er Graphit-Sprayfarbe,
um das Innere eines Metallzylinders auszukleiden, und benutzte ihn als Foto-Kaverne.
Auf diese Art und Weise sammeln wir nicht nur in einem kleinen Raumwinkel, sondern im Wesentlichen Lyman-Alpha-Photonen,
die in jede Richtung abgegeben werden. Und Sie können sehen, dass die statistischen Fehler deutlich reduziert werden können.
Das heißt, dass wir zukünftig mit sehr viel niedrigeren Laserintensitäten arbeiten können
und keine großen unsicheren Lichtverschiebungen mehr haben werden.
Wir werden in der Lage sein, die Geschwindigkeiten unserer Atome zu selektieren,
um eine bessere Kontrolle von Doppler-Verschiebungen zweiter Ordnung zu bekommen.
Und es ist nicht undenkbar, dass man mit Hilfe einer Wasserstoff-Uhr in Zukunft die Sekunde neu definieren kann.
Natürlich erlaubt uns der Vergleich von Uhren, die auf unterschiedlichen Transitionen beruhen, die Frage,
ob grundlegende Konstanten konstant sind.
Ich erwarte, dass man in den nächsten Jahren die erste Spektroskopie des Antiwasserstoffs erleben wird.
Zwei Teams am CERN ist es nun gelungen, Antiwasserstoff-Atome, die aus Antiprotonen und Positronen bestehen,
magnetisch einzufangen und sie in einer Magnetfalle gefangen zu halten.
Es wird natürlich interessant sein zu beobachten, ob es zwischen den beiden irgendwelche Unterschiede gibt.
Allerdings gibt es einen Aspekt, der nicht ganz so zufriedenstellend ist.
Wenn wir grundlegende Konstanten, insbesondere die Rydberg-Konstante, messen wollen, stellen wir fest,
dass diese festzustecken scheint. Das ist die NIST (National Institute of Standards and Technology)-Webseite des CODATA
(Committee on Data for Science and Technology)-Werts.
Er scheint bei einer relativen Messunsicherheit von 6 mal 10^-12 festzustecken.
Der Grund dafür ist Folgendes: Um diese Konstante aus unserer Wasserstoff-Frequenz herauszuziehen,
müssen wir den Ladungsradius des Protons kennen. Leider ist dieser kaum bekannt.
Seit mehr als zehn Jahren nehmen wir an der Zusammenarbeit teil und versuchen herauszufinden, wie klein ein Proton ist,
indem wir nicht normalen Wasserstoff, sondern spezielle und exotische, künstlich hergestellte Wasserstoffatome untersuchen,
bei denen das Elektron durch ein Myon ersetzt ist, ein 200mal schwereres Lepton.
Und im Sommer 2009 hatte ein Teil dieser Kollaboration Anlass zum Feiern,
denn in Experimenten am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz hatte man zum ersten Mal die Lamb-Verschiebung
zwischen dem 2F- und dem 2P-Zustand bei diesem myonischen Wasserstoffatom beobachtet. Es ist eine internationale Zusammenarbeit,
die auf mehr als 30 Wissenschaftler aus zwölf verschiedenen Institutionen angewachsen ist.
Randolf Pohl aus unserem Labor ist zusammen mit Franz Kottmann von der ETH Co-Sprecher.
Und die Ergebnisse sind hier dargestellt.
Man stimmt einen Laser durch, die Lamb-Verschiebung befindet sich in der Infrarot-Region.
Alle Energie-Niveaus sind erhöht, denn das Myon kommt sehr viel näher an das Proton heran.
Die Lamb-Verschiebung wird von Vakuumfluktuationen dominiert und befindet sich im Wellenlängenbereich von sechs Mikrometer
oder im Frequenzbereich von 49 Tetrahertz.
Wir hatten berechnet, wo sich die Resonanz ereignen sollte, wenn man einerseits von dem Protonenradius ausgeht,
wie er mit Hilfe von Elektronenstreuexperimenten bestimmt wurde,
oder wenn man andererseits von dem offiziellen CODATA-Protonenradius ausgeht,
der sehr stark von der Spektroskopie bei Wasserstoff bestimmt wird.
Das Ergebnis war, dass sich die Resonanz nicht dort befand, wo man sie erwartet hatte, sondern direkt daneben.
Wenn man das in den Ladungsradius des Protons übersetzt -
dies ist der offizielle CODATA-Wert aus dieser Messung der Lamb-Verschiebung -, dann erhält man einen Radius,
der genauer als ein Promille bekannt ist, wenn die Theorie richtig ist. Aber außerhalb des Fehlerbalkens.
Das Proton ist um ungefähr 4 % geschrumpft. Wenn wir uns die Rydberg-Konstante anschauen,
die wir aus diesem neuen Protonenradius und unserer Wasserstoff-Frequenz bekommen, dann finden wir auch etwas,
das präziser ist, aber außerhalb der Fehlergrenze liegt.
Diese Messung wurde bei den jüngsten Anpassungen der grundlegenden Konstanten nicht berücksichtigt,
denn die Leute trauen dem Spektrum von myonischem Wasserstoff nicht.
Dieses Rätsel um die Protonengröße hat die Aufmerksamkeit von Journalisten und Cartoonisten erregt.
Im Jahr 2010 zählte Physics World diese Messung zu den zehn wichtigsten Durchbrüchen, allerdings auf Platz 9.
La Recherche zählte sie ebenfalls zu den Top 10, aber auf dem siebten Platz.
Und im Scientific American gab es einen Kommentar, der die Situation, in der wir uns jetzt befinden, zusammenfasst.
Das Rätsel ist nicht gelöst und " ...
Wie auch immer die Antwort lautet - höchstwahrscheinlich werden die Physiker einiges haben,
um sich darüber auf Jahre hinweg die Köpfe zu zerbrechen." Ich habe noch eine Minute.
Lassen Sie mich daher ganz kurz anmerken,
dass Frequenzkämme und Wasserstoff nicht nur im Bereich der Größenordnung des Protons,
sondern auch der Größenordnung des Universums eine Rolle spielen, da sich im Universum Wasserstoff,
atomarer Wasserstoff in Gaswolken zwischen den Galaxien befindet.
Wir können sie beobachten, indem wir einen Wald von Lyman-Alpha-Linien im Licht entfernter Quasare betrachten.
Dort haben wir einen dichten Wald von Linien. Es ist alles dieselbe Linie, die Vakuum-Ultraviolett-Lyman-Alpha-Linie,
aber aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen dieser Wolken unterschiedlich stark verschoben.
Stellen Sie sich nun also vor, dass man heute versucht, die Gravitationszentren dieser Linien zu messen,
und dann in, sagen wir, zehn Jahren zurückkommt und feststellt, ob sie immer noch da sind oder sich verschoben haben.
Wenn wir astronomische Spektrografen gut genug kalibrieren können, dann sollten wir eine Chance haben,
Verschiebungen zu Raten zu sehen, die mit den Modellen der Kosmologen vereinbar sind.
Und man erkennt nun, dass Frequenzkämme interessante Kalibrierungsinstrumente für astronomische Spektrografen sind.
Tobias Wilken von unserem Labor hat erst kürzlich einen Aufsatz veröffentlicht,
der die Leistungsfähigkeit eines solchen Astrocoms demonstriert, die ausreichen könnte,
um erdähnliche Planeten im Umkreis von sonnenähnlichen Sternen
und vielleicht irgendwann auch Beweise für die Ausdehnung des Universums zu entdecken.
Mein letztes Dia hier werde ich überspringen.
Ich werde meinen Vortrag mit ein paar Worten von Charles Townes beenden, da wir auch mit ihm begonnen haben.
In seinem Buch "How the Laser Happens" sagt er: "Es gibt vieles, das wir nicht verstehen,
und in vielen Fällen verstehen wir nicht, dass wir es nicht verstehen.
Und die wirklich überraschenden Entdeckungen werden vermutlich in erster Line von Individuen
und nicht von Teams oder Arbeitsgemeinschaften abhängen."
Mit diesem Plädoyer für eine von Neugier beflügelte Forschung bin ich nun am Ende angelangt und danke Ihnen herzlich.