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Gewichtsprobleme in der Teilchenwelt

Es hätte so schön sein können: Niemand in diesem Universum hätte jemals Gewichtsprobleme gehabt. Doch Sekundenbruchteile nach dem Urknall passierte etwas, was diese paradiesischen Zustände jäh beendete: Higgs-Teilchen brachten die „Schwere“ in die Welt. Gemäß einer Theorie von Vlatko Vedral von der Universität Leeds besteht zwischen diesen Higgs-Teilchen eine Art „telepathische Verschwörung“. Der New Scientist (23.10.2004) berichtet aus einer Vorveröffentlichung von Vedrals Arbeit.

Vor einigen Jahrzehnten schufen die Physiker mit der Standardtheorie der Teilchenphysik eine Theorie, die es endlich schaffte, Ordnung in den unübersichtlichen „Zoo“ physikalischer Teilchen zu bringen. Mit einem „Bausatz“ aus einigen wenigen Elementarteilchen wie Quarks oder Elektronen war es nun möglich, alle anderen Teilchen zusammenzusetzen. Allerdings hat diese Theorie einen entscheidenden Nachteil: Die ihr zugrunde liegende Mathematik funktioniert nur, solange alle Teilchen keine Masse haben, was offensichtlich der Realität widerspricht.

Eine Lösung für diesen Widerspruch schlug im Jahr 1964 Peter Higgs von der Universität Edinburgh vor. Er postulierte die Existenz eines physikalischen Feldes, das kurz nach dem Urknall die mathematische Grundsymmetrie der Teilchenphysik „brach“, indem es nun an die Elementarteilchen „koppelte“ und ihnen so Masse verlieh.

Ob Higgs‘ Theorie richtig ist, ist bisher nicht geklärt. Vor allem fehlt der Nachweis der Higgs-Teilchen, deren Existenz aus dem Vorhandensein des Higgs-Feldes folgt. Nach Fertigstellung des neuen Teilchenbeschleunigers LHC im Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik CERN wird man in Genf ab dem Jahr 2007 die Suche nach dem Higgs-Teilchen fortsetzen.

Entsprechend vorsichtig drückt Vedral sich aus: „Wenn das Higgs-Feld existiert, dann müssen seine Teilchen miteinander verschränkt sein.“ Verschränkung ist eine quantenmechanische Eigenschaft, die eine fast telepathische Beziehung zwischen zwei oder mehreren physikalischen Teilchen beschreibt. Eine Messung an einem von zwei verschränkten Teilchen verändert augenblicklich den Zustand seines „Zwillingsbruders“. Dabei spielt es keine Rolle, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind. Albert Einstein bezeichnete die Verschränkung deshalb als „spukhafte Fernwirkung“.

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Vedrals Schlussfolgerung beruht auf einer Analogie zwischen Higgs-Feldern und Supraleitern. In seiner Arbeit hat er sich hauptsächlich mit dem Meißner-Effekt beschäftigt, bei dem ein Magnet über einem Supraleiter schwebt. Dies kommt dadurch zustande, dass das Magnetfeld in der Oberfläche des supraleitenden Materials einen Strom erzeugt, der wiederum verhindert, dass die Photonen, die das Magnetfeld übertragen, ins Innere des Supraleiters eindringen können. Das erzeugt eine Gegenkraft, die den Magneten wegstößt. Vedral berechnet, dass der supraleitende Strom von verschränkten Elektronen erzeugt werden muss.

Er argumentiert weiter, dass das Higgs-Feld sich als erstes von mehreren miteinander wechselwirkenden Feldern über das gesamte Universum ausbreitete und damit verhinderte, dass die anderen Felder dies auch taten. Physikalisch bedeutet dies: Die entsprechenden Felder wurden kurzreichweitig und ihre Austauschteilchen bekamen Masse. Vedral zeigt schließlich den Zusammenhang auf, wie die Verschränkung der Higgs-Teilchen mit den Massen aller Elementarteilchen zusammenhängen könnte.

Vedral hat seine Arbeit zur Veröffentlichung bei den Physical Review Letters eingereicht. Eine Vorveröffentlichung ist im Internetarchiv arXiv.org (quant-ph/0410021) erschienen.

Axel Tillemans
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