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Masse aus dem Nichts

Kennen Sie das auch? Sie stehen auf der Waage und haben schon wieder zugenommen, aber Sie schwören Stein und Bein, dass Sie nichts gegessen haben, was diesen Zuwachs erklären könnte. Fast so wie diese Ausrede klingt die Theorie von Alfonso Rueda von der California State University in Long Beach, der zusammen mit seinem Kollegen Bernard Haisch behauptet, die physikalischen Elementarteilchen erhielten ihre Massen vom Vakuum. Das britische Wissenschaftsmagazin New Scientist berichtet, dass die beiden Physiker mit ihrer nun erweiterten Theorie sowohl die Herkunft der trägen als auch die der schweren Masse erklären können.

Nun muss man dazu aber wissen, dass das physikalische Vakuum alles andere als Nichts ist. Gemäß der Quantentheorie kann der niedrigst mögliche Energiezustand des Vakuums nicht null sein, sondern ist immer größer als null. Das macht sich dadurch bemerkbar, dass im Vakuum dauernd so genannte virtuelle Teilchen entstehen und wieder vernichtet werden.

Die beiden Physiker haben nun zunächst vereinfachend nur den Beitrag der elektromagnetischen Kraft auf das Quantenvakuum betrachtet. Die Berücksichtigung der anderen physikalischen Grundkräfte würde die „Artenvielfalt“ des virtuellen Teilchenzoos weiter vergrößern. Bereits in den 1990er Jahren hatten sie gezeigt, dass die virtuellen Teilchen des Quantenvakuums auf ein reales Teilchen, das sich in Ruhe befindet oder sich gleichförmig bewegt, keinen Nettoeinfluss ausüben. Einem beschleunigten realen Teilchen stellen sich dagegen mehr virtuelle Teilchen „in den Weg“. Die Folge ist eine Kraftwirkung, die sich der Beschleunigung des Teilchens entgegenstemmt. Genau dieser Effekt erzeugt gemäß Rueda und Haisch die so genannte träge Masse des Teilchens.

Der physikalische Begriff Masse beinhaltet nämlich zwei grundverschiedene Eigenschaften eines Körpers: Trägheit und Schwere. Die Trägheit ist die Eigenschaft einer Masse, einer beschleunigenden Kraft Widerstand entgegenzusetzen. Die Schwere ist die Eigenschaft, mit der eine Masse andere Massen anzieht und mit der sie selbst von anderen Massen angezogen wird. Obwohl diese Eigenschaften augenscheinlich nichts miteinander zu tun haben, werden sie in der Physik nur durch die eine Größe „Masse“ beschrieben. Alle bisher durchgeführten hochpräzisen Experimente konnten diese Gleichsetzung rechtfertigen, da sie nicht den geringsten Unterschied zwischen träger und schwerer Masse zu Tage brachten.

So war es für Rueda und Haisch nur konsequent, dass sie ihre Theorie nun auch auf die schwere Masse erweiterten: Eine große Masse krümmt die Raumzeit. Dieser geometrische Effekt hat eine Auswirkung auf die Verteilung der virtuellen Teilchen, die ein reales Teilchen „spürt“, wenn es sich in der Nähe einer großen Masse befindet. Auf der Seite des realen Teilchens, die der großen Masse abgewandt ist, befinden sich mehr virtuelle Teilchen als auf der anderen Seite. Dadurch entsteht eine Nettokraft, die das reale Teilchen in Richtung der großen Masse drückt.

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Nicht alle Physiker sind von der neuen Theorie angetan. Bemängelt wird vor allem, dass Rueda und Haisch bisher keine konkreten, experimentell überprüfbaren Vorhersagen machen. Favorisiert wird von den meisten Physikern die Higgs-Theorie, derzufolge ein bisher unentdecktes Teilchen ? das Higgs-Teilchen ? den anderen Teilchen ihre Masse verleiht. Auch für diese Theorie gibt es bisher keine direkten experimentellen Bestätigungen. Aber im großen Teilchenbeschleuniger LHC des Europäischen Laboratoriums für Teilchenphysik CERN bei Genf wird man ab 2007 nach dem Higgs-Teilchen fahnden.

A. Rueda, B. Haisch: Annalen der Physik, Bd. 14, S. 479-498. Sie finden den Artikel auch im ePrint-Archiv arXiv.org unter der Kennung gr-qc/0504061.

Axel Tillemans
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