Die Entdeckung des Higgs-Teilchens: Oder wie das Universum seine Masse bekam (German Edition)

man einen Tennisball gegen den Kopf geworfen, so kann man meistens ziemlich genau sagen, woher der Ball kam und wie stark die Person wohl ist, die ihn warf. Man hat genug Informationen, um zu entscheiden, ob man sich mit dem Ballwerfer anlegen möchte oder nicht. In gewissem Sinne ist der Tennisball hier ein Austauschteilchen.
    Auf eine solche Weise arbeiten die Vermittler der vier physikalischen Grundkräfte. Sie entstehen zwischen zwei Objekten und werden von ihnen absorbiert. Der Unterschied zum Tennisball besteht darin, dass der Ball ein real existierendes Objekt ist und durch nichts seiner Existenz beraubt werden kann. Austauschteilchen dagegen existieren in einer Art Grauzone zwischen Sein und Nicht-Sein. Das verleiht ihnen den Status sogenannter virtueller Teilchen.
    Wie das sein kann, soll im Folgenden dargelegt werden – doch zuvor noch ein Hinweis: Die hier präsentierten Vorstellungen über das Geschehen auf der Ebene der allerkleinsten Objekte sind eine Veranschaulichung der abstrakten und unanschaulichen mathematischen Strukturen, anhand derer bisher sehr viele Beobachtungen mit einem einzigen Modell erklärt werden konnten. Physikalische Modelle sind abstrakte Mathematik. Das heißt, man muss sie oft vereinfachen, wenn man sie sich halbwegs vorstellen will. Dadurch verlieren die Modelle allerdings auch an Präzision, und der Gültigkeitsbereich ihrer Aussagen schrumpft. Selbstverständlich steht es jedem Menschen frei, die funktionierenden Formeln so zu verbildlichen, wie sie für ihn selbst am meisten Sinn ergeben. Übrigens beruht das hier vorgestellte Konzept von virtuellen Teilchen auf dem Unschärfeprinzip des Physikers Werner Heisenberg:
    ΔE · Δt ≥ /2
    Man kennt dieses Prinzip vielleicht als Aussage darüber, dass Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig genau messbar sind. Kennt man eine dieser Größen genau, so wird die andere unpräzise. Eine ebensolche Aussage lässt sich über die Schwankung der Energie eines Teilchens und die Zeit, während der seine Energie gemessen wird, machen. Genauer gesagt: Das Produkt aus Energieschwankung und Zeit unterschreitet nie den Wert/ 2 . Dies ist ein Wert, der sich auf 5,27 · 10 –35 Js beläuft (ist das Planck’sche Wirkungsquantum h geteilt durch 2π). Die Möglichkeiten, die aus dieser Energieunschärfe resultieren, sind atemberaubend.
    Bleibt die Zeit Δt nur kurz genug, so kann innerhalb der daraus entstehenden Energieunschärfe ein Teilchen der Energie ΔE entstehen, ohne dass das Universum dauerhaft von dessen Existenz »wüsste«. Die Heisenberg’sche Unschärferelation stellt also eine Art Hintertürchen dar, die dem Universum erlaubt, seine eigenen Gesetze und Erhaltungssätze ein wenig zu beugen. Es wird im Universum nicht als Regelverstoß gewertet, wenn etwas aus dem Nichts entsteht, eine Information überträgt und wieder zu nichts zerfällt. Das ist die Funktionsweise von Kräften!
    Woher virtuelle Teilchen kommen, ist vom Typ her die gleiche Frage wie diejenigen, woher Materie und Energie stammen oder warum das Universum existiert. Darauf weiß die Physik keine Antwort. Jedoch lässt sich feststellen, dass es ohne ein Prinzip wie die Heisenberg’sche Energieunschärfe schwer erklärbar wäre, wie die nötige Energie für das Aufkommen von Vermittlerteilchen aufgebracht werden könnte. Wem das zu unglaubwürdig erscheint, der möge sich von folgendem Experiment überzeugen lassen.
    Der Casimir-Effekt
    Die seltsame Existenzform von virtuellen Teilchen zeigt sich deutlich im Casimir-Effekt: Stellt man zwei elektrisch leitende Platten parallel zueinander im Vakuum auf, lässt sich beobachten, dass sie sich anziehen. Die Kraft, die beide Platten zusammenpresst, kann jedoch auf keine bekannte Größe zurückgeführt werden. Es gibt trotzdem eine Erklärung, die genauso simpel wie absurd erscheint: Aufgrund der Heisenberg’schen Energieunschärfe ist das Vakuum in Wirklichkeit gar kein Vakuum, sondern gefüllt mit virtuellen Teilchen, die andauernd entstehen und vergehen. Und noch mehr: Das Vakuum zwischen den Platten erweist sich als ein anderes Vakuum als dasjenige außerhalb der Platten. Der Grund: Die Wellennatur von Quantenobjekten bringt es mit sich, dass jedes Teilchen über eine Wellenlänge verfügt. Eine Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei Wellenbergen, wie man sie bei Wasserwellen beobachten kann. Die elektrische Leitfähigkeit der Platten bewirkt nun, dass sämtliche virtuelle Photonen (also Lichtteilchen),