Beck Wissen - Materie - Von der Urmateria zum Leben

den gleichen ,Farbwinkel‘ erhalten. Allerdings werden bei nur lokalen Veränderungen der Farbzustände einiger Quarks in einem Hadron Eichfelder benötigt, um lokale Symmetrie, d.h. hier die Invarianz bzw. ,Farblosigkeit‘ des Hadrons nach außen, weiterhin zu garantieren. Mathematisch spricht man in diesem Fall von einer lokalen SU(3)-Symmetrie.
    Nach der erfolgreichen Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung wurde die große Vereinigung von elektromagnetischer, schwacher und starker Wechselwirkung angestrebt, schließlich in einer letzten Stufe die ,Supervereinigung‘ aller vier Kräfte einschließlich Gravitation. Eine einheitliche Quantenfeldtheorie aller vier Grundkräfte könnte die physikalische Grundlage liefern, um den heutigen Zustand des Universums als Folge von Symmetriebrechungen aus einem einheitlichen Urzustand zu erklären. In diesem Urzustand hatte das Universum eine derart hohe Temperatur, daß eine einheitliche Symmetrie herrschte. Vermutlich waren bei 10 19 GeV noch alle Teilchen gleichberechtigt und alle Wechselwirkungen gleich stark. Physikalisch wird diese Epoche des Universums ca. 10 -43 Sekunden nach der Anfangssingularität angenommen. Erst beim Abkühlen brach diese Symmetrie in immer neue Teilsymmetrien auseinander, und es kristallisierten sich schrittweise die einzelnen Teilchen heraus.
    Um die heutige Gestalt der kosmischen Materie mit der Hochenergiephysik zu erklären, spielen Grundbegriffe der Quantenfeldtheorie eine zentrale Rolle. Bereits in der Antike entbrannte ein Streit darüber, ob es ein Vakuum als leeren Raum ohne Materie gibt. Nach Demokrit bewegten sich die materiellen Atome im leeren Raum. Nach Aristoteles war das Vakuum eine widersprüchliche Abstraktion, da die Natur von einer sich realisierenden Dynamik erfüllt ist. Nachdem bereits Galilei für die Gültigkeit seines Fallgesetzes von allen Widerständen abstrahiert und Otto von Guericke den luftleeren Raum realisiert hatte, war der ,horror vacui‘ der aristotelisch- scholastischen Philosophie in der neuzeitlichen Physik verflogen. Wenn Vakuum allgemein als ,materieleerer‘ Raum definiert wird, stellt sich aber sofort die Frage, was ,Materie‘ sei. Tatsächlich betrachtet z.B. Guericke nur einen luftleeren Raum.
    Es liegt daher nahe, als Vakuum allgemein den Zustand eines Raumgebietes zu bezeichnen, aus dem alles entfernt ist, was sich mit Methoden der Experimentalphysik entfernen läßt. In der Quantenfeldtheorie bezeichnet das Quantenvakuum den tiefstmöglichen Energiezustand eines Quantenfeldes. Als Grundzustand der Energie ist das Quantenvakuum zwar ein Zustand ohne reelle Teilchen, der jedoch keineswegs strukturlos ist. Es gelten nämlich nach wie vor die Gesetze der Quantenmechanik, insbesondere die Energie-Zeit-Unschärfe. Danach kann der Energieerhaltungssatz für kurze Zeit um einen Energiebetrag durchbrochen werden: Je kürzer die Zeit, um so größer kann der Energiebetrag sein. Diese Durchbrechung des Energiesatzes erlaubt im Quantenvakuum für kurze Zeit ein ständiges Auftauchen und wieder Verschwinden von Teilchen, die nicht die Lebensdauer reeller Teilchen haben. Man nennt sie daher auch virtuelle Teilchen. Das Quantenvakuum ist also nicht ,leer‘, sondern von den Quantenfluktuationen virtueller Teilchen erfüllt.
    Der Begriff des Quantenvakuums ist nun für die kosmische Evolution grundlegend. Wenn die Welt noch keine 10 -35 Se-kunden alt ist, dann ist die Materie so heiß, daß starke, schwache und elektromagnetische Kräfte noch nicht unterschieden werden können. Die Quantenfeldtheorie sagt ein Quantenvakuum mit negativem konstantem Druck voraus. Durch ihn wird nach Einsteins Feldgleichungen eine abstoßende Gravitationskraft bewirkt, die Massenpunkte beschleunigt auseinandertreibt. Durch Abkühlung der Materie, die an der vereinigten starken, schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung beteiligt ist, kommt es nach 10 -35 Se-kunden zur erwähnten Symmetriebrechung, in der sich starke und elektroschwache Kräfte trennen. Während dieses Phasenübergangs überwiegt der negative Druck des Quantenvakuums und treibt als Antigravitation das Universum in kürzester Zeit um einen gewaltigen Faktor von 10 50 auseinander. Während dieser extremen („inflationären“) Expansion zerfällt der anfängliche Vakuumszustand und wandelt seine gespeicherte Energie in viele reelle Teilchen um. Nach dieser Materieerzeugung aus dem Quantenvakuum wird die Antigravitation durch