Mit einem Augenzwinkern zu ultraschnellen Prozessen

Die Ausstellung, die sich bis Mitte Dezember im Eingangsbereich der Ó¢»ÊÓéÀÖ Info auf dem ETH-Standort H?nggerberg befindet, l?sst sich schnell und gut ¨¹berblicken. ?Schnell? ist dabei Programm: Mehrere Poster zeigen Bildfolgen mit Prozessen, die sehr schnell ¨C oder sehr langsam ¨C ablaufen und geben zugleich einen Einblick in die ?Ultrakurzzeitforschung?.

Manche Vorg?nge ereignen sich in der Natur so schnell, dass selbst ein Wimpernschlag im Vergleich dazu sehr langsam ist. Ultraschnell ist etwa eine Lichtwelle: In bloss zwei Billiardstelsekunden hebt sie sich und senkt sich wieder! Das sind in der Sprache der Forschung zwei Femtosekunden oder als Zehnerpotenz geschrieben 2¡¤10^?15 Sekunden.

Noch schneller sind Elementarteilchen wie Elektronen oder Photonen: Wenn sie sich in Molek¨¹len bewegen, dauert das ultrakurze 100 Trillionstelsekunden, beziehungsweise 100 Attosekunden oder 10^?16 s. Kein Mensch kann solche ultraschnellen Prozesse mit blossem Auge sehen, und auch f¨¹r die Grundlagenforschung sind sie vergleichsweise Neuland.

Den Erfahrungshorizont ausdehnen

Dabei spielen sich grundlegende und lebenswichtige, physikalische, chemische und biologische Reaktionen im ultraschnellen Zeitbereich zwischen Nanosekunden (10^?9 s) und Attosekunden (10^?18 s) ab. Sie zu verstehen, kann helfen, alternative Energien, neue Datenspeicher oder medizinische Anwendungen wie k¨¹nstliches Blut zu entwickeln.

?Die menschlichen Sinne nehmen Licht und Geschwindigkeit nur sehr begrenzt wahr?, sagt Ursula Keller, ?Deshalb versuchen wir in der Forschung den Horizont der Erfahrung auszudehnen.? Die ETH-Professorin f¨¹r Experimentalphysik hat in ihrer Laufbahn selber daran mitgearbeitet, dass die Forschung zu immer kleineren Zeiteinheiten vorgestossen ist.

Erst seit der Jahrtausendwende kann die Grundlagenforschung Vorg?nge im Attosekundenbereich messen und untersuchen. Der Durchbruch verdankt sich der Entwicklung neuer Lichtquellen, die, wie zum Beispiel der neue R?ntgenlaser SwissFEL des Paul Scherrer Instituts, auf ultrakurzen Licht- und Laserpulsen beruhen.

Heute umfasst die ?Ultrakurzzeitforschung? F?cher wie Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaft, die im Nationalen Forschungsschwerpunkt ?Ultraschnelle Prozesse in molekularen Bausteinen? (NFS MUST) vernetzt sind. Ko-Leiterin von MUST ist Ursula Keller, deren Gruppe f¨¹r Kurzzeitlaserphysik die rasante Entwicklung mitgepr?gt hat.

Zehn Schritte vom Augenblick zur Attosekunde

Was f¨¹r die Forschung Neuland ist, ist f¨¹r die ?ffentlichkeitsarbeit und die Wissensvermittlung in die Schulen eine Herausforderung: Denn wirklich fassbar sind f¨¹r Fachunkundige weder die ultraschnellen Prozesse noch die Forschungstechnologien noch die mathematischen Notationen und Modelle, die zu ihrer Untersuchung eingesetzt werden.

Um einen Bezug zwischen ?Ultrakurzzeitforschung? und Alltag herzustellen, folgten Thomas Feurer, Ko-Leiter des NFS MUST und Physikprofessor der Universit?t Bern, sowie Anna Garry, Verantwortliche f¨¹r die ?ffentlichkeitsarbeit im NFS MUST, einer Idee, die J¨¹rg Osterwalder, Professor f¨¹r Oberfl?chenphysik der Universit?t Z¨¹rich, im Zug gekommen war.

Die Idee war, Fachfremde auf eine Zeitreise zu ultraschnellen Prozessen einzuladen. Das Ergebnis davon war das Buch ?A Journey into Time in Powers of Ten? sowie die Ausstellungen an der Scientitifica 2015, am Festival de Science 2016 in Neuenburg und jetzt auf dem H?nggerberg. Ausserdem wird das Material im Austausch mit Schulen eingesetzt.

?Wir m?chten Schulen und ?ffentlichkeit f¨¹r unsere Forschung begeistern, sie zum Nachdenken ¨¹ber die Zeit und die Dauer von lebenswichtigen Prozesse bewegen und ihnen zeigen, wie sich diese Prozesse in Zahlen fassen lassen?, sagt Anna Garry und erz?hlt, wie ihr sechsj?hriger Neffe fasziniert auf die Bildstrecken reagierte und sofort Fragen stellte.

Ausgangspunkt der Zeitreise ist ¨C im Buch und in der Ausstellung ¨C ein Augenzwinkern: Ein solches dauert eine Sekunde oder umgerechnet 10⁰ s. Ein Augenblick ist im Alltag die kleinste gef¨¹hlte Einheit, in der ein Mensch Ereignisse seiner Umwelt wahrnimmt. Davon ausgehend f¨¹hrt die Reise in zehn Schritten vom Augenblick zu den Attosekunden.

Jeder Schritt entspricht einer Zehnerpotenz und ist mit einer kurzen Erz?hlung verbunden, die einen Aspekt der Ultrakurzzeitforschung vorstellt. Neben naturwissenschaftlichen Fakten kommen auch Ausschnitte aus dem Alltag der Forschenden vor. Auf diese Weise wird das zahlenm?ssige Nachdenken ¨¹ber lebenswichtige Vorg?nge anschaulich und verst?ndlich.

Einsicht in schnelle und langsame Prozesse

Einen Gedanken fasst ein Mensch in einer Zehntelsekunde oder 10^-1 s. Um 100 Meter zu rennen, braucht er rund 10 Sekunden oder 10¹ s. Wer im Zug von Z¨¹rich nach Genf reist, ben?tigt zweidreiviertel Stunden oder 10⁴ s. Ein Blitzschlag auf der anderen Seite ereignet sich in 10^-4 s.

Ein Doktorand im vierten Jahr hat rund 10⁸ s f¨¹r seine Ausbildung eingesetzt. 10^-8 s dauert es, wenn eine Qualle im Meer gr¨¹n aufleuchtet. ?Den Schritt vom Augenzwinkern zum Sprint kann man sich gut vorstellen. Indem wir diesen Zehnerschritt zehnmal machen, gelangen wir auf nachvollziehbare Weise zu unserer Forschung?, erkl?rt Thomas Feurer.

?Da sich viele Menschen die Zehnerpotenzen im Minusbereich noch schlechter vorstellen k?nnen als solche im Plusbereich, haben wir den schnellen Prozessen die langsamen gegen¨¹bergestellt.? Der langsamste, in Buch und Ausstellung vorgestellte Prozess ist die Entstehung der Milchstrasse, die sich ¨¹ber 30 Mrd. Jahre oder 10¹⁸ s hinzieht.