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Eine Reise von der Fotografie des 18. Jahrhunderts bis zur Physik und Chemie von heute

Die Zerlegung der Zeit in ihr kleinstes Teil

Schon seit 1872 suchten Fotografen nach immer kleineren Belichtungszeiten, um jene Dinge sichtbar zu machen, die vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden können. Dazu wurde die Sekunde immer weiter zerteilt. So wurden in der Fotografie Dinge sichtbar, die für das menschliche Auge zu schnell sind. Auch für die Wissenschaft wurde und wird diese Zeitteilung zunehmend interessanter – heutzutage hilft das bisher kleinste handhabbare Sekundenbruchstück, die Attosekunde, mittlerweile beim Erforschen des Innenlebens von Atomen.

Autor:

Felix Thimm

Alles fing mit dem Streit darüber an, ob Pferde im Galopp alle Hufe vom Boden nehmen. Für Menschen war das bis zum Jahr 1872 nicht nachprüfbar. Für die Augen des Menschen waren – und sind – Pferde einfach zu schnell. Doch im Jahr 1872 gelang es Eadweard Muybridge, einem britischen Landschaftsfotografen, mit einer Belichtungszeit von einer Fünfhundertstelsekunde ein Rennpferd beim Rennen zu fotografieren. Innerhalb von einer halben Sekunde schoss Muybridge zwölf Fotos. Damit konnte er beweisen, dass Pferde beim Galopp für eine sehr kurze Zeit alle Hufe vom Boden nehmen. Später veröffentlichte er ein Buch namens „Animal Locomotion“, in dem er diese und viele ähnliche Bilder präsentierte.

Zudem gelten seine Aufnahmen als eine frühe Form des Films, da Filme und Videos aus vielen, schnell hintereinander abgespielten Bildern bestehen. Für viele war solch eine kurze Belichtungszeit zwar immer noch unvorstellbar, aber sie bedeutete den Durchbruch sowohl für die Fotografie, da es nun möglich war, mehr als nur ruhende Personen abzubilden – als auch für die Wissenschaft, die mithilfe der Sekundenbruchteile neue physikalische und chemische Erkenntnisse beschreiben konnte. So wurde durch Muybridge die noch immer andauernde Jagd auf immer kürzere Belichtungszeiten und Zeitbruchteile gestartet.

Seitdem werden die Belichtungszeiten immer kürzer: Mit einer Belichtungszeit von Tausendstelsekunden, die als Millisekunden bezeichnet werden, wurden später Tennisbälle im Flug fotografiert. Millionstelsekunden, also Mikrosekunden, machten es möglich, geschossene Pistolenkugeln abzulichten. Später drang die Wissenschaft in den Bereich der Femtosekunden vor. Das ist der billiardste Teil einer Sekunde. Femtosekunden dienen dazu, chemische Reaktionen zum Beispiel bei der Photosynthese genauer zu beobachten und zu untersuchen.

Heute ist der kleinste messbare und beherrschbare Sekundenbruchteil die Attosekunde, der milliardste Teil einer Milliardstelsekunde und somit der tausendste Teil der Femtosekunde. Mathematisch beschrieben sind das genau 0,000 000 000 000 000 001 oder 10-18 Sekunden. Ein Blitz dauert mehrere Billionen Attosekunden, ein Lidschlag sogar mehrere Billiarden Attosekunden.

In einer Attosekunde schafft es selbst Licht, das in einer Sekunde ungefähr zehn Mal die Erde umrunden könnte, nur von einem Ende eines Wassermoleküls zum anderen, also weniger als ein Milliardstelmeter.

Zuerst wurde ein Röntgenpuls von nur ein paar 100 Attosekunden im Jahr 2001 von Ferenc Krausz, dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, gemessen. Dabei wird allerdings nicht mehr richtig fotografiert. Man erstellt lediglich Grafiken anhand der Daten von Untersuchungen mit Attosekundenpulsen, um die Prozesse im Inneren des Atoms zu veranschaulichen. Krausz hält mit wenigen zehn Attosekunden noch immer den Rekord des kleinsten gemessenen Sekundenbruchteils. Allgemein liegt Europa bei der Attosekundenforschung weltweit vorn.

Mithilfe von Attosekunden kann man unvorstellbar kurze Vorgänge, wie Bewegungen von Elektronen im Innern eines Atoms abbilden. Dadurch gesammelte Erkenntnisse könnten die Medizin weit voranbringen, zum Beispiel indem man genauere Mikroskope herstellt oder durch eine kürzere Einwirkungszeit von Röntgenstrahlen die Strahleneinwirkung bei Untersuchungen erheblich verkleinert. Doch auch moderne Computer könnten durch rasend schnelle Prozessoren von den Forschungen mit Sekundenbruchteilen profitieren.

Auch wenn das alles schon sehr kurz erscheint – Wissenschaftler zielen schon jetzt auf noch kleinere Sekundenbruchteile mit Namen wie die Zeptosekunde oder die Yoktosekunde. Die Zeptosekunde könnte helfen, Prozesse im winzigen Atomkern zu erforschen. Das könnte zu weiteren medizinischen Fortschritten oder physikalischen Erkenntnissen führen. Für die Yoktosekunde, also den quadrillionsten Teil einer Sekunde oder 0,000 000 000 000 000 000 000 001 Sekunden, wissen sogar Experten noch keinen Verwendungszweck und der tausendste Teil dieses Bruchstücks hat noch nicht einmal einen Namen.

Wie teilen wir die Zeit ein? Üblicherweise in Jahre, Monate, Wochen, Tage, Stunden, Sekunden. Doch es gibt noch viel, viel kleinere Einheiten.

Um eine chemische Reaktion nicht nur beobachten, sondern verstehen zu können, müssen Wissenschaftler das Verhalten der Elektronen innerhalb von Molekülen kennen. Dieses Bild entstand bei der Untersuchung eines Wasserstoffmoleküls.




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