Hans Georg Dehmelt: Der Mann, der ein Atom fing

Ein einzelnes Barium-Ion, das 1979 in einem elektromagnetischen Käfig in einem Labor der University of Washington bewegungslos gehalten wurde, erschien dem bloßen Auge als ein schwacher blau-weißer Punkt, der im Raum schwebte. Es war das erste Mal, dass jemand ein einzelnes Atom gesehen hatte. Der Physiker, der es dorthin gebracht hatte, Hans Georg Dehmelt, hatte drei Jahrzehnte damit verbracht, die Falle zu bauen, die das Unsichtbare sichtbar machte.

Ein Berliner Stipendiat

Dehmelt wurde am 9. September 1922 im deutschen Görlitz geboren und wuchs in Berlin auf, wo ihn ein Stipendium im Alter von zehn Jahren an das Berlinische Gymnasium zum Grauen Kloster führte. Der Krieg unterbrach sein Studium: 1943 begann er ein Physikstudium an der Universität Breslau, bevor er zum Militärdienst eingezogen wurde. Er überlebte die Ardennenoffensive als Kriegsgefangener und nahm nach seiner Freilassung 1946 seine Ausbildung an der Universität Göttingen wieder auf, die damals ein Zentrum für Physiker war, die die deutsche Wissenschaft aus den Trümmern aufbauten. Dort erwarb er 1948 seinen Masterabschluss und 1950 seine Promotion in einer Umgebung, die noch immer von der Generation um Heisenberg und Born geprägt war.

Über den Atlantik

1952 emigrierte Dehmelt für eine Postdoktorandenstelle an der Duke University in die Vereinigten Staaten, im Rahmen einer Welle europäischer Physiker, die die Laboratorien des Nachkriegsamerikas besser finanziert und weniger durch die Vergangenheit belastet vorfanden. Drei Jahre später stellte ihn die University of Washington in Seattle als Assistenzprofessor ein; 1961 wurde er ordentlicher Professor und blieb dort bis zu seiner Emeritierung im Oktober 2002, womit er Seattle ein halbes Jahrhundert lang zu einer unwahrscheinlichen Hauptstadt der Präzisions-Atomphysik machte.

Bau eines Käfigs für ein einzelnes Teilchen

Das Problem, das sich Dehmelt stellte, war trügerisch einfach: Ein subatomares Teilchen in Isolation lange genug stillzuhalten, um es mit äußerster Präzision zu messen. Zusammen mit dem deutschen Physiker Wolfgang Paul, der unabhängig davon eine parallele Fanhungstechnik entwickelt hatte, verfeinerte Dehmelt die sogenannte Penning-Falle – eine Anordnung aus elektrischen und magnetischen Feldern, die ein einzelnes Ion oder Elektron über Monate hinweg im Vakuum suspendieren konnte. 1973 isolierte er auf diese Weise gemeinsam mit seinen Doktoranden ein einzelnes Elektron; unter diesen Studenten befand sich auch David Wineland, der später für den Ausbau dieser Technik selbst den Nobelpreis gewinnen sollte. Dehmeltes eigenes Team maß das magnetische Moment des Elektron mit einer Genauigkeit von etwa vier Teilen pro Billion, einer Präzision, die es Physikern ermöglichte, die Vorhersagen der Quantenelektrodynamik an der Realität mit einer Strenge zu überprüfen, die zuvor noch niemand erreicht hatte.

Das Geonium-Atom und das fotografierte Ion

1976 prägte Dehmelt den Begriff „Geonium“ für das eigentümliche Quantensystem, das seine Falle erzeugte: ein einzelnes Elektron, das eher durch Laborfelder als durch einen Atomkern eingeschlossen war und sich in viellei Hinsicht wie ein an die Erde selbst gebundenes künstliches Atom verhielt. Drei Jahre später gelang seiner Gruppe das Kunststück, für das er außerhalb der Physik am häufigsten in Erinnerung geblieben ist – das Einfangen und Fotografieren eines einzelnen Barium-Ions, wodurch ein einsames Atom als sichtbarer Lichtpunkt dargestellt wurde. Dehmelt beschrieb den Reiz dieser Arbeit in einfachen Worten: Sobald ein Teilchen gefangen sei, könne man es, so sagte er, „nach Herzenslust studieren“. Diese Geduld, aufrechterhalten über Jahrzehnte schrittweiser Verfeinerung statt eines einzigen Geistesblitzes, ist der rote Faden seiner Karriere.

Stockholm und Anerkennung

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verlieh Dehmelt die Hälfte des Nobelpreises für Physik von 1989, den er sich mit Wolfgang Paul „für die Entwicklung der Ionenfallen-Technik“ teilte, während Norman Ramsey die andere Hälfte für verwandte Arbeiten an Atomuhren erhielt. Es war der Höhepunkt einer Karriere, die bereits 1970 mit dem Davisson-Germer-Preis und 1985 mit dem Rumford-Preis ausgezeichnet worden war. 1995 verliehen die Vereinigten Staaten ihm die National Medal of Science, und zum Zeitpunkt seines Todes stellten Kollegen fest, dass er, wie es in einer Würdigung der University of Washington hieß, nahezu jede wichtige Auszeichnung seines Fachgebiets angesammelt hatte.

Ein zweimal wiederaufgebautes Privatleben

Dehmelts Privatleben war von Verlusten und Neuanfängen geprägt. Seine erste Frau, Irmgard Lassow, verstarb vor ihm, ebenso ihr gemeinsamer Sohn Gerd. Im Jahr 1989, im selben Jahr, in dem er den Nobelpreis erhielt, heiratete er die Ärztin Diana Dundore, und die beiden blieben für den Rest seines Lebens zusammen. Er starb am 7. März 2017 in Seattle im Alter von 94 Jahren, nachdem er sowohl die Ehefrau als auch den Sohn seiner ersten Familie überlebt und fast fünfzig Jahre an derselben Universität verbracht hatte, an der er sich seinen Ruf aufgebaut hatte.

Warum Hans ein Genie genannt wird

Dehmelts Anspruch auf Genialität beruht auf einer spezifischen und ungewöhnlich überprüfbaren Art kognitiver Leistung: Er fand einen Weg, Objekte, von denen die Quantenmechanik selbst besagt, dass sie als Individuen unbeobachtbar sein sollten, zu isolieren und für eine längere Beobachtung stillzuhalten. Die Erkenntnis bestand nicht aus einer einzigen Gleichung, sondern aus ingenieurmäßigem Geduldsspiel – jahrzehntelangem fehlerfreien Einstellen elektrischer und magnetischer Felder, sodass ein einzelnes Elektron über Monate hinweg einzeln beobachtet werden konnte. Die Sprache des Nobelkomitees selbst, das ihn für die Entwicklung einer gesamten experimentellen Technik statt einer Entdeckung ehrte, spiegelt wider, dass dies ebenso viel Handwerkskunst wie Theorie war: exquisite Instrumentenkonstruktion verbunden mit der Bereitschaft, eine Karriere einem einzigen schwierigen Problem zu widmen. Seine Kollegen an der University of Washington beschrieben ihn als jemanden, der sich „jede erdenkliche Auszeichnung auf seinem Gebiet“ verdient hatte, und die von ihm hinterlassene Ausbildungslinie – David Wineland, der die Methoden gefangener Ionen erweiterte, um 2012 seinen eigenen Nobelpreis zu gewinnen – ist selbst der Beweis dafür, dass Dehmelts Ansatz die Art und Weise, wie eine ganze Generation von Physikern über Messungen dachte, neu gestaltete. Das ehrliche Gegenargument ist, dass Dehmelt keine Theorie umstürzte oder ein neues Teilchen vorhersagte; die Quantenelektrodynamik existierte bereits vor ihm, und seine Falle testete sie, anstatt sie zu ersetzen. Sein Genie, falls das Wort zutrifft, war das des Instrumentenbauers, der zuvor unbeantwortbare Fragen beantwortbar macht – eine engere, mechanischere Form von Brillanz als die eines Feynmans oder Einsteins, aber eine, ohne die ihre Gleichungen niemals mit der physischen Welt hätten abgeglichen werden können.

Vermächtnis

Die Penning-Falle, die Dehmelt mitzuentwickeln half, wurde zu einem Arbeitstier der modernen Physik und bildet die Grundlage für Atomuhren, Massenspektrometrie und die Quantencomputer mit gefangenen Ionen, die heute von Unternehmen und Universitäten auf der ganzen Welt gebaut werden. Lange nach seinem Tod im Jahr 2017 bleibt der einzelne blau-weiße Punkt, den sein Team 1979 fotografierte, eines der am häufigsten zitierten Bilder in der Geschichte der Experimentalphysik – der Beweis dafür, dass ein Atom ganz allein dazu gebracht werden konnte, stillzustehen und gesehen zu werden.