Physiker lösen ein Problem von Sheldon und Leonard aus "The Big Bang Theory"

"Wenn ein Elektron auf eine Platte mit zwei Spalten geschossen wird und jeder Spalt beobachtet wird, geht es nicht durch beide hindurch. Unbeobachtet jedoch schon. Jedenfalls heißt das: Wenn das Elektron vor Auftreffen auf der Platte beobachtet wird, geht es nur durch eine der beiden Spalten", erzählt Sheldon Cooper (Jim Parsons) seinem Freund Leonard Hofstadter (Johnny Galecki). "Genau. Worauf willst du hinaus?", fragt der und Sheldon antwortet: "Auf gar nichts. Es wär nur ein gutes Motiv für ein T-Shirt."

Mit diesem Dialog startet die erste Staffel der US-Serie "The Big Bang Theory". Die Eingangs-Szene zeigt gleich drei der wichtigsten Bestandteile der Serie: eine Freundschaft, Humor und die Physik als Grundlage von beidem. Wie nah die Themen aus "The Big Bang Theory" am wissenschaftlichen Alltag sind, zeigt nun eine Veröffentlichung in einer Fachzeitschrift.

Was war das Problem bei "Big Bang Theory"?

In der fünften Staffel der US-Sitcom grübeln Leonard und Sheldon über dem sogenannten Axion-Problem. In drei Folgen steht jedenfalls ein Whiteboard in ihrer WG mit einer Formel und Diagrammen, was einen Hinweis darauf gibt, dass die beiden sich damit beschäftigen. Dabei geht es um die Frage, ob sich sogenannte Axionen künstlich in einem Fusions-Reaktor erzeugen lassen. Die Antwort darauf finden Leonard und Sheldon offenbar nicht. Auf dem Board steht am Ende der Berechnungen ein trauriges Smiley.

Das Axion-Problem ist allerdings keine Erfindung der Drehbuchautor:innen, echte Physiker:innen beschäftigen sich damit, ob es diese Axionen gibt und wie sie entstehen.

Ursprung von Axionen? Das ist Dunkle Materie

Es ist schon eigenartig: Da gibt es eine Materie, die uns permanent umgibt, die wir aber nicht nur nicht sehen können, sondern die bislang noch nicht einmal nachgewiesen werden konnte: Dunkle Materie. Dunkel heißt sie deshalb, weil sie Licht weder absorbiert noch reflektiert. Bei sichtbarer Materie ist das anders. Aus ihr sind nach dem Urknall Sterne oder Planeten entstanden. Die Bestandteile von Dunkler Materie hingegen bilden keine solchen komplexeren Strukturen und auch keine Atome. Und obwohl die sieüberall im Universum existiert, auch auf der Erde, weiß man noch nicht einmal sicher, woraus diese Dunkle Materie überhaupt besteht. Aber wie kommt man dann darauf, dass es sie überhaupt gibt?

In den 1930er-Jahren hatte der Schweizer Astrophysiker Fritz Zwicky die Theorie formuliert, dass es etwas geben muss, das unsere Galaxien wie eine Art Klebstoff zusammenhält. Richtig ernst genommen wurde Zwicky damals allerdings nicht. In der Zwischenzeit ist man aber schlauer und weiß, dass Sterne und Galaxien wohl alle zusammen nur ungefähr fünf Prozent des Universums ausmachen. Viel größer ist der nicht sichtbare Anteil und der besteht zu 27 Prozent aus Dunkler Materie und zu 68 Prozent aus Dunkler Energie (die spielt bei der Ausdehnung des Universums eine Rolle, aber das ist eine andere Geschichte).

Das sind Axionen

Dass es Dunkle Materie geben muss, darüber herrscht also weitgehend Einigkeit, aber woraus besteht sie? Forscher:innen versuchen, das auf verschiedenen Wegen herauszufinden. Die meisten Kosmolog:innen gehen davon aus, dass Dunkle Materie aus einer ganz neuen Form von Materie besteht: sogenannten Axionen. Das sind bislang rein hypothetische sowie extrem leichte Teilchen. Sheldon und Leonard überlegen, ob man diese Dunkle-Materie-Teilchen auch in einem Fusions-Reaktor künstlich herstellen kann. Genau das haben sich echte Wissenschaftler genauer angeschaut - und das Rätsel gelöst.

Was die Wissenschaftler:innen herausgefunden haben

Jure Zupan, ein Forscher der University of Cincinnati, und seine Kolleg:innen am Fermi National Laboratory, dem MIT und Tech­ni­on in Haifa, beschäftigten sich mit der Problemstellung aus der TV-Serie.

Die Ergebnisse der Forschung von Zupan und seinem Team wurden nun in der Fachzeitschrift "Journal of High Energy Physics" veröffentlicht. Achtung, jetzt wird's nerdy! Die Physiker:innen haben untersucht, was mit den Wasserstoff-Isotopen Deuterium und Tritium in einem mit Lithium verkleideten Behälter in einem Fusions-Reaktor passiert.

Laut den Wissenschaftler:innen ist es möglich, dass bei einem solchen Experiment Axione oder axionähnliche Teilchen entstehen. Die sind aber mit aktuellen Mitteln kaum messbar. Leichter wäre es diese Dunkle-Materie-Teilchen in der Sonne nachzuweisen.

Und genau das war auch das Problem bei Sheldon und Leonard. Die TV-Physiker seien davon ausgegangen, dass die Prozesse der Sonne denen in einem Fusions-Reaktor gleichen, erklärt Zupan: "Die Sonne ist ein riesiges Objekt, das viel Energie produziert. Die Wahrscheinlichkeit, dass neue Teilchen von der Sonne erzeugt werden, die zur Erde strömen, ist größer als die Wahrscheinlichkeit, dass sie in Fusions-Reaktoren unter Verwendung derselben Prozesse wie in der Sonne erzeugt werden." Hätten sich die beiden Genies eigentlich denken können.