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Vom Wackelpudding zum Nobelpreis | Theodor Hänsch im Portrait

Von Christiane Meister

Es begann in der Bunsenstraße

In einem Alter, in dem andere Kinder noch davon träumen, Lokomotivführer, Kapitän oder vielleicht auch Seeräuber zu werden, wusste Theodor Hänsch bereits - 1946, im Alter von fünf Jahren: Er wollte Forscher werden. Grund für diesen Berufswunsch war ein Straßenschild. Der kleine Theodor wohnte mit seiner Familie in Heidelberg in der Bunsenstraße - sogar in dem Haus, in dem gut ein Jahrhundert zuvor  Robert Bunsen gelebt hatte. „Ich hatte meinen Vater neugierig gefragt, wer der Herr Bunsen ist und was man denn machen muss, damit eine Straße nach einem benannt wird. Und dann hat mein Vater erklärt, dass Bunsen ein Chemiker war, der im 19. Jahrhundert lebte und gezeigt hat, dass Atome in bestimmten Farben leuchten, wenn man sie in eine Flamme gibt.“

Hänschs Vater war kein Akademiker, doch hatte er im ersten Weltkrieg bei einer Pharmafirma gearbeitet und dort begonnen, sich für Chemie und Medizin zu interessieren. Wenig später brachte er aus seiner Firma einen  Bunsenbrenner mit nach Hause. Er streute ein paar Krümel Kochsalz in die Flamme, die daraufhin nicht mehr blau, sondern gelb leuchtete. „Das liegt am Natrium“, erklärte der Vater seinem Sohn.

Die Flamme verfärbt sich, weil die Elektronen der hineingestreuten Atome Energie aufnehmen und diese in Form von Licht gleich wieder abgeben. Wie viel Energie die Elektronen aufnehmen und wieder abstrahlen, ist je nach Element unterschiedlich.  Daher strahlt jedes in einer anderen Farbe. Diese Flammfärbung ist eine klassische Methode, um eine Substanz zu identifizieren.

Schon im zarten Alter von fünf oder sechs Jahren beschließt Theodor Hänsch, dass er mehr über Atome und Licht in Erfahrung bringen möchte. Fast 60 Jahre später wird er dafür den Nobelpreis erhalten.

Kurz nach dem Bunsenbrenner-Experiment folgte ein zweites für Hänsch wichtiges Kindheitserlebnis: Sein Vater nahm ihn mit in die Laboratorien der Heinrich Lanz AG in Mannheim. Hänsch erinnert sich noch heute, wie sehr ihn die Forscher in ihren weißen Kitteln beeindruckten. Sogar durch ihre Mikroskope durfte er gucken. Diese  imponierenden Männer bestätigten ihn in seinem Wunsch, Wissenschaftler zu werden.

Schon zur Schulzeit erprobte Hänsch seine Fähigkeiten als Forscher. Der Schüler experimentierte Nachmittage lang allein in der physikalischen Sammlung der Schule, bastelte sich ein Röntgengerät sowie einen  Geigerzähler. Zwar ist Hänsch nicht nur naturwissenschaftlich begabt. Zum Abitur erhielt er den Scheffelpreis, mit dem die besten Deutsch-Abiturienten in Baden-Württemberg ausgezeichnet werden. Dennoch konnte ihn diese Auszeichnung genauso wenig von seinem Berufswunsch abbringen wie die Berufsberatung, die ihm vorschlug, Pilot zu werden. Unbeirrt sagte er: „Nein, ich werde Professor“ - und begann in seiner Heimatstadt Heidelberg, Physik zu studieren.

„Damals war Kernphysik das große Gebiet“, erinnert sich Theodor Hänsch, „Damit habe ich angefangen. Mein Ziel war es, Kernphysiker zu werden.“ Durch Zufall erfuhr der Diplomand Hänsch jedoch von einer Forschungsgruppe am Institut für angewandte Physik, die mit einer neuartigen Lichtquelle arbeitete - dem Laser: „Dort gab es einen Helium-Neon-Laser zu bewundern, und das hat mich fasziniert. Ich sagte dann meiner alten Gruppe ‚Auf Wiedersehen’ und habe meine Diplomarbeit im Lasergebiet gemacht.“ In der noch jungen Forschergruppe lernte er, wie man Laser baut. Schon bald wandte er sich komplexeren Themen zu. Er wollte den Laser dazu nutzen, die Wechselwirkung von Licht und Materie genauer zu untersuchen. Deshalb schrieb er seine Doktorarbeit im Bereich der Laserspektroskopie.

Die Zeit in Stanford: Der Gummibärchen-Laser

Kurz danach lernte er den US-Amerikaner Arthur Schawlow kennen, der zu jener Zeit als „Laserpapst“ gefeiert wurde. 1981 sollte er für seine Arbeiten den Nobelpreis bekommen. „Ich war sofort fasziniert von seiner Wärme, von seiner Fröhlichkeit, von seinem ansteckenden Humor und von seinem scharfen Verstand“, erinnert sich Hänsch. Er konnte Schawlow davon überzeugen, ihn in sein Forscherteam aufzunehmen und so kam Hänsch ein Jahr später - im Jahr 1970 -  nach Stanford. Dort wollte er lernen, die  Elektronensprünge zu verstehen, die die bunten  Farben im Bunsenbrenner hervorrufen und ihn als Kind so fasziniert hatten. Für diese Untersuchungen brauchte Hänsch einen Laser, der mehrere Farben - also viele unterschiedliche Lichtwellen - ausstrahlen konnte. Doch so etwas gab es noch nicht: Jeder Laser leuchtete nur in einer Farbe. Und so ging es Hänsch wie einem Maler, der mit nur einem Farbton ein buntes Gemälde malen will.

Um möglichst viele Elektronensprünge untersuchen zu können, versuchte Hänsch einen Laser zu entwickeln, der in unterschiedlichen Farben leuchten konnte. Beim Experimentieren machte er eines Abends eine erstaunliche Entdeckung: Eher im Spiel lenkte er einen blauen Laserstrahl auf einen Tropfen, der noch an einer Pipette hing. „Ich war fassungslos, als ich sah, dass dieser Tropfen nun selbst zum  Lasermedium wurde und grünes Licht ausstrahlte“, beschreibt Hänsch diesen Augenblick. Schnell machte er ein Foto von dem Ein-Tropfen-Laser und pinnte es an die Labortür. Als Arthur Schawlow das Bild sah, studierte er es lange Zeit und sagte kein Wort. Unzählige Stunden hatte er damit verbracht, Menschen zu erklären, woraus ein  Laser aufgebaut war - und nun sah er, dass ein einzelner Tropfen in der Lage war, Laserlicht zu erzeugen. Das hätte er niemals für möglich gehalten. Nachdem er das Bild ausführlich studiert hatte, vermutete er, dass man eigentlich alles als Lasermedium verwenden könne, wenn man es nur richtig anginge.

Um diese Annahme zu beweisen, brachte er schon am nächsten Morgen zwölf Packungen Wackelpudding mit. Hänsch und Schawlow kochten den Wackelpudding und bestrahlten ihn anschließend mit einem Laser. Sie beobachteten zwar, dass der Wackelpudding stark fluoreszierte - doch Laserlicht entstand nicht. Deprimiert zog sich Arthur Schawlow in sein Büro zurück und verspeiste dort sein Experiment. Dieses Ritual wiederholten die beiden Physiker täglich - doch nicht ein Wackelpudding erwies sich als lasertauglich. Aber Schawlow gab nicht so leicht auf; er und Hänsch variierten den Versuch. Sie vermischten klare Gelatine mit einem Farbstoff - und tatsächlich hatten die beiden damit ein neues, funktionsfähiges Lasermaterial entwickelt. Diesmal bestand Schawlow auch nicht darauf, die untersuchte Materie aufzuessen. Dennoch betonten die Forscher in ihrer Publikation, dass sie den wahrscheinlich ersten essbaren Laser entwickelt hätten. Dieser Laser, der fortan „Gummibärchen-Laser“ genannt wurde, machte Hänsch mit einem Schlag in der Laserszene berühmt.

Nach den Gelatine-Experimenten widmete sich Hänsch wieder intensiv der Suche nach einem Laser, der unterschiedliche Lichtfarben erzeugen konnte. Und tatsächlich gelang es ihm, einen Laser zu bauen, dessen Licht von rot nach gelb regulierbar war. Er begann mit diesem Laser das  Wasserstoffatom genauer zu untersuchen. Mit Hilfe dieses Atoms wollten Hänsch und seine Kollegen die spektroskopische Messtechnik so weit wie möglich vorantreiben. Sie entwickelten immer feinere Methoden, um die Wellenlänge des vom Wasserstoff ausgestrahlten Lichtes zu bestimmen. Anhand der Genauigkeit ihrer Messungen überprüften sie die Qualität ihrer Messmethoden.

Unzertrennlich: Theodor Hänsch mit seinem liebsten Forschungsobjekt - einem Laser. Foto: Friedrich Schmidt/LMU München

Zurück in Deutschland - neue Heimat: München

Als Theodor Hänsch 1986 nach München ging, fiel ihm die Rückkehr nach Deutschland schwer. Er fühlte sich durch die Bürokratie in der deutschen Forschungslandschaft eingeschränkt und sehnte sich nach Stanford zurück. „Die deutsche Universität könnte gut funktionieren ohne Forscher und Studenten“, stellt er verbittert fest. „In den ersten zwei Jahren habe ich immer wieder mit dem Gedanken gespielt, in die USA zurückzukehren.“ In München fand Hänsch jedoch sehr schnell gute Mitarbeiter und im neugegründeten Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching wurden ihm ideale Forschungsbedingungen geboten - bessere noch als in Stanford. Die Laboratorien waren gut eingerichtet und seine Mitarbeiter engagiert. Deshalb blieb Hänsch in Deutschland und forscht auch hier weiter mit Licht und Wasserstoffatomen.

Regt man das Wasserstoffatom mit einer bestimmten Frequenz an, strahlt es ultraviolettes Licht ab. Hänsch und seinem Team gelang es, die Frequenz dieses Lichtes auf eine Genauigkeit von 14 Kommastellen zu messen - ein neuer Weltrekord. Niemand hatte zuvor die Farbe des Lichts von Atomen und Molekülen so exakt bestimmt. Diese Genauigkeit verdankten sie einer neuen Entwicklung, an der Theodor Hänsch maßgeblich beteiligt war: dem  Frequenzkamm. 2005 erhielt er für seine „Entwicklungen der auf Laser gegründeten Präzisionsspektroskopie“ den Nobelpreis. In der Begründung wird neben seiner gesamten Forschung im Bereich der Laserspektroskopie der Frequenzkamm noch einmal gesondert hervorgehoben. Außerdem, so betont das Nobelpreiskomitee, habe Theodor Hänsch entschieden zum Verständnis von Licht beigetragen.

Was genau Licht eigentlich ist, weiß man bis heute nicht. Bei physikalischen Experimenten verhält sich das Licht seltsam - mal wie ein Teilchen, mal wie eine Welle. Doch Hänsch meint, dass dabei schon die Begriffe Welle und Teilchen falsch gewählt seien: „In der Quantenwelt gibt es weder das eine noch das andere. Wenn man annimmt, dass es sich um Teilchen handelt, kann man die Quantenmaterie dazu bringen, dass sie sich so verhält als sei sie ein Teilchen. Und wenn wir annehmen, dass es eine Welle ist, kann man es auch dazu bringen, sich wie eine Welle zu verhalten. Aber in Wirklichkeit ist es weder das eine noch das andere. Es ist halt etwas, was die in unserem Alltag entstandene Intuition und unser Verständnis, wie die Welt funktioniert, übersteigt.“

Auch in anderen Bereichen wirft Hänsch gängige Vorstellungen in der Physik über den Haufen. Immer wieder überprüft er, ob die Naturkonstanten tatsächlich konstant sind: „Es könnte doch sein, dass sich die angeblichen Konstanten mit der Evolution des Universums verändern.“ Sollte sich diese Hypothese bestätigen, wird das enorme Auswirkungen auf unsere Welt haben, denn nur bei den Naturkonstanten wie sie heute sind, ist Leben, wie wir es kennen, möglich – winzige Abweichungen würden es zerstören. Mit ihren Messungen konnten die Garchinger jedoch bisher keine Veränderungen feststellen.
Doch Hänschs Entwicklungen und Forschungsergebnisse haben nicht nur Einfluss auf die eher abstrakt anmutende Physik. Mit Hilfe Hänschs genauer Messungen der Lichtfrequenzen ist es heute möglich, optische Uhren zu bauen, die 100.000 Mal schneller ticken als Atomuhren und damit viel genauer laufen. Mit diesen Uhren kann man Vorgänge über große Entfernungen synchronisieren. Damit ließe sich beispielsweise die Satellitennavigation noch genauer machen. Auch das Internet könnte von diesen neuen Uhren profitieren.


Dieser Beitrag entstand im Zuge des EuroScience Open Forum (ESOF) 2006.


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Foto: Friedrich Schmidt/LMU München

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