An den Ursprüngen der Masse: Zwischen Trägheit und Gravitation

Was ist Masse?

Masse ist eine der grundlegendsten Eigenschaften der Materie. Sie bestimmt den Widerstand eines Körpers gegenüber Beschleunigung (träge Masse) und die Gravitationskraft, die er ausübt oder erfährt (schwere Masse). Masse galt lange als intrinsisch und wird heute im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik als entstehendes Phänomen verstanden.

Unterschied zwischen träger Masse und schwerer Masse

Dortträge Massequantifiziert den Widerstand eines Objekts gegenüber jeder Änderung seines Bewegungszustands. Es erscheint im zweiten Newtonschen Gesetz: \( \vec{F} = m_i \cdot \vec{a} \). Je größer die träge Masse, desto mehr Kraft ist erforderlich, um die gleiche Beschleunigung zu erzeugen.

DortGravitationsmassebestimmt die Intensität der Gravitationskraft, die ein Objekt erfährt oder ausübt. Im Newtonschen Gesetz erscheint es in der Form: \( F = G \cdot \dfrac{m_g M}{r^2} \), wobei \( m_g \) die Gravitationsmasse ist.

Grundlegende Tatsache: In allen Experimenten sind diese beiden Massen vorhandennumerisch gleichwertig. Diese experimentelle Beobachtung, dass nämlich ein schwerer oder ein leichter Gegenstand im Vakuum mit der gleichen Beschleunigung fällt, begründet dasÄquivalenzprinzipvon Einstein. Es ist das Herzstück der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Diese Äquivalenz ist jedoch ein Postulat und keine theoretische Notwendigkeit. Jeder noch so kleine Unterschied zwischen \( m_i \) und \( m_g \) könnte neue physikalische Erkenntnisse offenbaren. Missionen wieMIKROSKOPhaben dieses 1-teilige Prinzip an \( 10^{15} \) getestet, wobei bisher keine Abweichung festgestellt wurde.

• Referenzen:
• • Galileo G.,Dialog über die beiden großen Systeme der Welt, 1632.
• • Einstein A., Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie, 1916.
• • Touboul P. et al., MIKROSKOP-Mission: Erste Ergebnisse eines Weltraumtests des Äquivalenzprinzips,Phys. Rev. Lett. 119, 231101 (2017).
• • Will C.M., Die Konfrontation zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Experiment, Living Rev. Relativity 17, 4 (2014).

Das Vakuum ist nicht leer: Das Higgs-Feld

Im Standardmodell ist das Vakuum nicht leer: Es ist mit einem Skalarfeld namens Higgs-Feld gefüllt. Während des spontanen Aufbrechens der elektroschwachen Symmetrie nimmt dieses Feld im gesamten Raum einen Wert ungleich Null an. Die Teilchen interagieren mit diesem Feld und diese Wechselwirkung verleiht ihnen eine Masse, die proportional zu ihrer Kopplung mit dem Feld ist. Das 2012 entdeckte Higgs-Boson ist die Quantenanregung dieses Feldes.

Warum Protonen und Neutronen massiv sind

Quarks (Bestandteile von Protonen und Neutronen) haben eine sehr kleine Masse aus dem Higgs-Feld, der größte Teil der Masse des Nukleons (mehr als 98 %) stammt jedoch aus der Bindungsenergie der Quarks über die starke Wechselwirkung (Quantenchromodynamik). Dieses Phänomen ist ein eindrucksvolles Beispiel für Masse-Energie-Äquivalenz: \(E=mc^2\).

• Referenzen:
• • Higgs P., Gebrochene Symmetrien und die Massen von Eichbosonen,Phys. Rev. Lett. 13, 508 (1964).
• • Aad G. et al., Beobachtung eines neuen Teilchens auf der Suche nach dem Standardmodell Higgs-Boson,Phys. Lette. B 716, 1–29 (2012).
• • Peskin M.E. & Schroeder D.V., Eine Einführung in die Quantenfeldtheorie, Addison-Wesley (1995).
• • Partikeldatengruppe,CEO.lbl.gov (neues Fenster).

Masse in der speziellen Relativitätstheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie

Die Spezielle Relativitätstheorie (\(E=mc^2\)) legt fest, dass Masse und Energie äquivalent sind.

Die Allgemeine Relativitätstheorie (\( R_{\mu\nu} - \frac{1}{2} R\, g_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \)) beschreibt Masse (und Energie) als Quelle der Krümmung der Raumzeit. Jede Form von Energie, einschließlich der eines Feldes oder Vakuums, krümmt den Raum und erzeugt einen Gravitationseffekt.

Das Geheimnis bleibt bestehen

Wenn dieHiggs-FeldWährend sich heute der Ursprung der Masse der Elementarteilchen durch ihre Wechselwirkung mit dem Quantenvakuum erklären lässt, bleiben die tiefe Natur dieses Feldes, seine Stabilität über die Zeit und insbesondere der genaue Wert seiner Vakuumenergie theoretische Rätsel. Tatsächlich ist die von der relativistischen Quantenmechanik vorhergesagte Vakuumenergie und daher ihreäquivalente schwere Masse, sollte ein generierenKrümmung der Raumzeitkolossal, unvereinbar mit der beobachteten moderaten Expansion des Universums. Diese Inkonsistenz macht das Berühmte ausProblem der kosmologischen Konstante, verknüpft mit dem beobachteten Wert von \( \Lambda \) in Einsteins Gleichungen:

Diese Verschiebung von mehr als120 GrößenordnungenZwischen dem erwarteten theoretischen Wert und dem gemessenen Wert der kosmologischen Konstante besteht zweifellos die größte Lücke, die jemals zwischen Theorie und Beobachtung in der Grundlagenphysik aufgetreten ist. Es wirft tiefgreifende Fragen über die Beziehung zwischen aufträge Masse, schwere Masseund die eigentliche Struktur des Quantenvakuums.

Kosmologische Konstante: eine Lücke von 120 Größenordnungen

Dortkosmologische Konstante\( \Lambda \), ursprünglich von Einstein in seinen Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt, entspricht einer Vakuumenergiedichte, die die Expansion des Universums beeinflusst. Es ist mit einer effektiven Energiedichte verbunden durch:

Kosmologische Beobachtungen, insbesondere solche aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, deuten darauf hin, dass diese Dichte äußerst gering ist. Allerdings sagt die Quantenfeldtheorie, die die Beiträge aller Vakuumfluktuationen bis zu einem Hochenergiegrenzwert (häufig der Planck-Skala) berücksichtigt, eine immense Vakuumdichte voraus.

Die Lücke zwischen der theoretischen Vorhersage \( \rho_{\text{vide}}^{\mathrm{th}} \) und dem gemessenen Wert \( \rho_{\Lambda}^{\mathrm{obs}} \) liegt in der Größenordnung von:

DasVerschiebung von mehr als 120 Größenordnungenist in der Geschichte der theoretischen Physik beispiellos. Es verdeutlicht eine grundlegende Meinungsverschiedenheit zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie (Gravitation) und der Quantenmechanik (Felder). DERProblem der kosmologischen Konstanteist eines der größten Geheimnisse der Grundlagenphysik.

In den natürlichen Einheiten der Teilchenphysik wird diese Dichte in GeV\(^4\) ausgedrückt:

• \( \rho_{\text{empty}}^{\mathrm{th}} \sim 10^{72} \ \text{GeV}^4 \)
• \( \rho_{\Lambda}^{\mathrm{obs}} \sim 10^{-47} \ \text{GeV}^4 \)

Diese tiefe Meinungsverschiedenheit deutet darauf hin, dass uns etwas Wesentliches im Verständnis des Quantenvakuums oder des eigentlichen Mechanismus der Gravitation im großen Maßstab fehlt. Dieses Paradox steht im Mittelpunkt der Forschung zu einer einheitlichen Theorie der Quantengravitation.

• Referenzen:
• • Weinberg S., Das kosmologische Konstantenproblem, Rev. Mod. Physik. 61, 1 (1989).
• • Carroll S.M., Die kosmologische Konstante, Living Rev. Relativity 4, 1 (2001).
• • Planck-Zusammenarbeit,Kosmologische Parameter, A&A 641, A6 (2020).