Top Ten der Physik 2016

Schrödingers Katze im Doppelpack, der Erdzwilling um Proxima Centauri und ein Mini-Gravimeter: Sie alle gehören zu den Top Ten der Physik im Jahr 2016. Als absolutes Highlight des Jahres jedoch kürte das Magazin „Physics World“ den Nachweis von Gravitationswellen durch die LIGO-Detektoren. Sie haben einen neuen Blick auf unser Universum eröffnet, so die einhellige Meinung.

In jedem Jahr küren die Herausgeber des Magazins „Physics World“ die Top 10 der physikalischen Errungenschaften und wählen eine davon zum Durchbruch des Jahres. Kriterien für die Auswahl: Die Arbeit muss bedeutend sein, das Wissen signifikant voranbringen, eine starke Verbindung zwischen Theorie und Experiment zeigen und von allgemeinem Interesse für alle Physiker sein, heißt es. 2014 wurde die Rosetta-Mission zum Durchbruch des Jahres gekürt, 2015 war die Quantenteleportation von zwei Merkmalen gleichzeitig das Jahres-Highlight.

Gravitationswellen: „Sicht auf das Universum verändert“

Als die Forscher der LIGO-Kollaboration am 11. Februar 2016 den ersten Nachweis von Gravitationswellen verkündeten, war dies eine absolute Weltsensation. Fast genau 100 Jahre nachdem Albert Einstein solche Erschütterungen der Raumzeit postuliert hatte, hatte man sie nun endlich detektiert. Im Sommer 2016 gelang dann sogar ein zweiter Nachweis.

„LIGO hat damit unsere Sicht auf das Universum verändert“, begründen die Herausgeber der „Physics World“ ihre Entscheidung. Denn mit den Gravitationswellen-Detektoren bekommen die Astronomen sozusagen ein Sinnesorgan hinzu – damit beginnt eine neue Ära der Astronomie. Gleichzeitig belegen die Signale, dass stellare Schwarze Löcher verschmelzen und sogar häufiger als gedacht in Paaren vorkommen.

„Mit dieser Entdeckung begeben wir Menschen uns auf ein wundervolles neues Abenteuer: Die Erforschung der verbeulten Seite des Universums – Objekte und Phänomene, die auf verzerrter, schwingender Raumzeit beruhen“, erklärt LIGO-Mitgründer Kip Thorne. Die Spannbreite der neun weiteren Top-Durchbrüche reicht von der Welt der kleinsten Teilchen bis ins All hinaus. Traditionell werden sie in willkürlicher Reihenfolge vorgestellt.

So könnte es auf der Oberfläche von Proxima Centauri B aussehen. © ESO/ M. Kornmesser

Proxima Centauri und Schrödingers Katze

Im August 2016 sorgte die Nachricht von einem erdähnlichen Planeten in unserer unmittelbaren Nachbarschaft für weltweites Aufsehen. Denn der potenzielle Erdzwilling liegt nur rund vier Lichtjahre von uns entfernt und umkreist unseren Nachbarstern Proxima Centauri in der habitablen Zone. Ob er tatsächlich lebensfreundlich ist, ist allerdings fraglich.

Eines der weiteren Highlights der Physik 2016 ist eine doppelte Ausgabe von Schrödingers Katze – dem bekannten Gedankenexperiment zum quantenphysikalische Phänomen der Überlagerung. US-Physiker haben im Mai 2016 erstmals eine solche „Katze“ vorgestellt, die in zwei Kästen gleichzeitig lebendig oder tot ist. Sie bestand aus zwei räumlich getrennten, aber miteinander verschränkten Photonengruppen.

Antiteilchen und ein Mini-Gravimeter

Ebenfalls um Quantenphysik geht es bei einem weiteren Highlight: Forschern ist es erstmals gelungen, die spontane Bildung von Paaren aus Teilchen und ihren Antiteilchen in einem Quantensimulator nachzubilden. Dieses System aus vier gefangenen Ionen bewies, dass im Vakuum tatsächlich kurzlebige Paare aus virtuellen Teilchen und Antiteilchen entstehen können, wie es die Quantentheorie postuliert.

So sieht das MEMS-Gravimeter aus: Ein Siliziumgerüst trägt eine LED, einen Photosensor und ein MEMS mit der winzigen Prüfmasse. © Giles Hammond

Im April 2016 sorgten britische Forscher mit einem weiteren Durchbruch für Aufsehen: Sie haben das erste Gravimeter im Mikromaßstab konstruiert. Der winzige Schwerefeld-Sensor ist nur 15 Millimeter groß und 25 Milligramm schwer. Trotzdem registriert er selbst geringe Schwankungen der Erdbeschleunigung, ohne sich durch Alltagserschütterungen stören zu lassen.

Mikroskop, Atomuhr und Brechung im Graphen

Unter die Top Ten der Physik gewählt wurde auch ein neuartige Mikroskoplinse. Sie verbindet eine hohe Auflösung mit einem großen Gesichtsfeld und erweitert so die Möglichkeiten der konfokalen Laser-Mikroskopie. Mit ihr lassen sich biologische Proben wie beispielsweise ein Mausembryo gleichzeitig komplett und in subzellulärer Auflösung betrachten.

Praktischen Nutzen könnte auch der erste Nachweis eines atomaren Übergangs beim Element Thorium-229 haben. Deutsche Physiker haben diese lange theoretisch vorhergesagte Veränderung des Quantenzustands im Mai 2016 im Experiment bestätigt. Das könnte den Weg zu neuen, stabileren und hochpräzisen Atomuhren ebnen. Eine weitere Errungenschaft liegt ebenfalls im Bereich der Atome: der erste Motor aus nur einem Atom. Angetrieben durch elektrische Felder und Wärme bewegt sich dieses Calcium-Atom wie ein Miniaturkolben.

Zu den Top Ten der Physik wurde zudem die erste Verschränkung von verschiedenartigen Atomen gekürt. Einer Forschergruppe gelang dies mit zwei verschiedenen Isotopen des Calciums, einem anderen Team mit Beryllium und Magnesium. Beim „Wundermaterial“ Graphen gab es ebenfalls Neues: Elektronenstrahlen können im Graphen eine negative Brechung erfahren – ähnlich wie Licht in bestimmten Metamaterialien. Dies könnte zu neuen Anwendungen in der Elektronik führen.

(Physics World, 14.12.2016 – NPO)