Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Sie erklärt, warum Radiowellen sich über gewaltige Entfernungen ausbreiten können, während die schwache Kraft nur über äußerst geringe Entfernungen reicht. Das Higgs-Feld trägt zwar eine schwache Ladung – aber keine elektrische. Das Photon besitzt also eine verschwindende Masse und bewegt sich per definitionem mit Lichtgeschwindigkeit, während die Träger der schwachen Kraft schwere Massen besitzen.
    Lassen Sie sich nicht verwirren. Photonen sind zwar Elementarteilchen. Aber in einem gewissen Sinne wurden die ursprünglichen Eichbosonen falsch identifiziert, da sie nicht den physikalischen Teilchen entsprechen, die eine bestimmte Masse haben (die auch null sein könnte), und sich ungestört durch das Vakuum bewegen. Bevor wir nicht die schwachen Ladungen kennen, die durch den Higgs-Mechanismus im ganzen Vakuum verteilt sind, haben wir keine Möglichkeit, zu bestimmen, welche Teilchen eine von null verschiedene Masse haben und welche nicht. Nach den Ladungen zu schließen, die dem Vakuum durch den Higgs-Mechanismus zukommen, würden das Hyperladungs-Eichboson und das schwache Eichboson sich ständig ineinander verwandeln, wenn sie sich durch das Vakuum bewegen, und wir könnten keinem von ihnen eine bestimmte Masse zuordnen. Angesichts der schwachen Ladung des Vakuums bewegen sich nur das Photon und das Z -Boson, ohne auf dem Weg ihre Identität zu ändern, durch das Vakuum, wobei das Z -Boson Masse erhält, wohingegen das Photon keine bekommt. Dadurch sondert der Higgs-Mechanismus das bestimmte Teilchen namens Photon und die Ladung aus, die wir als die elektrische Ladung kennen und die von ihm vermittelt wird.
    Der Higgs-Mechanismus erklärt also, warum gerade das Photon, und nicht die anderen Kraftträger, keine elektromagnetische Ladung besitzt. Er erklärt auch eine weitere Eigenschaft von Massen. Diese nächste Lektion ist sogar noch ein wenig raffinierter, vermittelt uns aber tiefe Erkenntnisse bezüglich der Frage, warum der Higgs-Mechanismus Massen zulässt, die mit vernünftigen Vorhersagen für hohe Energien übereinstimmen. Wenn wir uns das Higgs-Feld als eine Flüssigkeit vorstellen, können wir annehmen, dass ihre Dichte für die Teilchenmassen ebenfalls relevant ist. Und wenn wir uns vorstellen, dass diese Dichte sich aus Ladungen mit einem festen Zwischenraum ergibt, dann werden sich diese Teilchen – die so kleine Entfernungen durchwandern, dass sie nie auf eine schwache Ladung treffen – so bewegen, als ob sie eine verschwindende Masse besäßen, während jene Teilchen, die sich über größere Entfernungen bewegen, unvermeidlich von den schwachen Ladungen abprallen und langsamer werden würden.
    Das entspricht der Tatsache, dass der Higgs-Mechanismus mit einer spontanen Brechung der Symmetrie zu tun hat, die mit der schwachen Kraft verknüpft ist – und diese Symmetriebrechung ist mit einer bestimmten Skala verbunden.
    Eine spontane Symmetriebrechung findet statt, wenn die Symmetrie zwar in den Naturgesetzen selbst vorhanden ist – wie bei jeder Theorie von Kräften –, aber vom tatsächlichen Zustand eines Systems gebrochen wird. Wie wir dargelegt haben, muss es Symmetrien aus Gründen geben, die mit dem durch die Theorie beschriebenen hochenergetischen Verhalten zu tun haben. Die einzige Lösung besteht dann darin, dass die Symmetrien zwar existieren, aber spontan gebrochen werden, so dass die schwachen Eichbosonen zwar eine Masse haben, aber kein unerwünschtes Verhalten bei hohen Energien aufweisen.
    Die Idee, die sich hinter dem Higgs-Mechanismus verbirgt, beinhaltet, dass die Symmetrie tatsächlich Teil der Theorie ist. Die Gesetze der Physik wirken zwar symmetrisch. Aber der tatsächliche Zustand unserer Welt beachtet diese Symmetrie nicht. Stellen Sie sich einen Bleistift vor, der ursprünglich auf der Spitze stand und dann umfällt und eine bestimmte Richtung wählt. Alle Richtungen um den Bleistift herum waren die gleichen, solange er aufrecht stand, aber diese Symmetrie wird gebrochen, sobald der Bleistift fällt. Der waagrecht liegende Bleistift bricht dadurch spontan die Rotationssymmetrie, die der aufrecht stehende Bleistift beachtete.
    Auf ähnliche Weise bricht der Higgs-Mechanismus die Symmetrie der schwachen Kraft. Das bedeutet, dass die Gesetze der Physik die Symmetrie zwar beachten, dass sie jedoch vom Zustand des Vakuums gebrochen wird, der von der Ladung der schwachen Kraft durchflutet ist. Das Higgs-Feld, das das Universum unsymmetrisch durchdringt,