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In vielen Medien wird das Higgs-Feld so erklärt, dass es den Raum wie ein zäher Sirup füllt und so bestimmte Teilchen bremst und damit den Teilchen eine Masse gibt [1] [2] [Video-2]. Oder es wird ein Gleichnis mit einer Cocktailparty für die Erklärung bemüht [3].
Dieses Bild ist falsch. Das Vakuum ist nicht mit einer zähen Masse gefüllt und das Vakuum bremst keine Teilchen. Wenn keine Kräfte auf ein Teilchen mit einer Masse wirken, wird es wegen seiner Masse nicht abgebremst, sondern behält seine Geschwindigkeit bei. Das Higgs-Feld bremst also keine Teilchen ab. Es gibt keine Reibung im Higgs-Feld. Dies ist nicht der Mechanismus, der Teilchen eine Masse gibt.
Ein Wassermolekül ist gegen Aussen elektrisch Neutral, hat aber im Innern eine ungleichmässige Verteilung der Ladung. So ist ein Ende positiv geladen, das andere Ende negativ. Ein Wassermolekül hat eine bestimmte Masse. Diese Masse hängt nicht von der Orientierung des Moleküls ab. In jeder Lage hat das Molekül dieselbe Masse. Warum? Wegen der Symmetrie des Raumes. Raum ist in alle Richtungen gleich, sodass es keinen Unterschied macht, wie das Molekül liegt.
Stellen wir uns für dieses Beispiel vor, das Wassermolekül sei ein Elementarteilchen und es könne nur zwei Lagen einnehmen: In der einen Lage ist das positiv geladene Ende oben, in der anderen Lage ist es unten.
Nun erzeugen wir mit Hilfe eines grossen Kondensators in einem Bereich des Raumes ein homogenes elektrisches Feld (Bild 1). Wenn wir nun die beiden Wassermoleküle in dieses Feld bringen, ist die Energie der beiden Moleküle nicht mehr dieselbe! Warum?
Das elektrische Feld versucht die Moleküle so auszurichten, dass das positive Ende zur negativen Platte des Kondensators zeigt. Man muss Energie aufwenden, um das eine Molekül entgegen dieser Richtung zu drehen.
Nach der Formel E = m · c2 ist Masse gleich Energie. Wenn also die beiden Moleküle unterschiedliche Energie haben, so haben sie auch unterschiedliche Masse! In der Praxis ist der Unterschied für dieses Beispiel winzig, aber sie haben trotzdem verschiedene Massen.
Man beachte, dass das Wassermolekül gegen aussen elektrisch neutral ist. Daher übt das elektrische Feld keine Kraft auf das Molekül aus. Es bewegt sich ungestört zwischen den beiden Platten des Kondensators. Es wird nicht gebremst. Trotzdem gibt es diesen Massenunterschied zwischen den beiden Wassermolekülen aufgrund ihrer unsymmetrischen Verteilung der Ladung und der unterschiedlichen Orientierung.
Photonen sind die Teilchen, die elektrische Kräfte zwischen elektisch geladenen Teilchen vermitteln. Wir können uns ein elektrisches Feld auch vorstellen als ein Kondensat von Photonen, also als einen Raum, der mit Photonen gefüllt ist (siehe Bild 2) [Video-4]. Aber nicht so, wie man einen Raum mit gewöhnlichen Teilchen füllt. Ein Kondensat bedeutet, dass es keinen Unterschied macht, ob man weitere Teilchen hinzufügt oder wegnimmt. Das Feld ist gefüllt mit einer unbestimmten Anzahl von Photonen.
Die Richtung des elektrischen Feldes entsteht dadurch, dass Photonen unterschiedlich polarisiert sein können.
Kommen wir wieder zu unserem Beispiel mit dem Wassermolekül, das sich frei durch das Kondensat bewegt. Das Wassermolekül enthält geladene Teilchen. Diese Teilchen können Photonen emittieren und absorbieren. Das Emittieren und Absorbieren hat auf das Feld keinen Einfluss. In Bild 2 wird das dadurch symbolisiert, dass die Photonen mit einem kleinen Kreuz enden.
Während das Wassermolekül also so durch das Kondensat schwebt, tauscht es ständig Photonen mit dem Kondensat aus, ohne das Kondensat dabei zu verändern. Abhängig davon, wie die Photonen polarisiert sind und wie das Wassermolekül polarisiert ist, wird durch den andauernden Austausch von Photonen die Energie des Moleküls verändert. Und diese Veränderung der Energie ist gleichbedeutend mit einer Änderung der Masse.
Gibt es einen Grund, warum ein Teilchen nicht einfach keine Masse haben kann? Braucht es so etwas wie das Higgs-Phänomen um Teilchen eine Masse zu geben? [Video-5]
Es gibt viele Dinge in der Natur die eine Masse haben, aber nichts mit dem Higgs-Phänomen zu tun haben.
Stellen wir uns eine masselose Box vor, deren Innenwände perfekt spiegeln. Diese Box sei mit Photonen gefüllt, welche ständig an den Wänden reflektiert werden. Das ganze Box-System besteht aus masselosem Material. Die Box ist masselos und die Photonen sind masselos. Aber die Box enthält viel Energie in Form von Strahlung. Nun gilt nach Einstein: E = m · c2, Energie ist gleich Masse. Also verhält sich die Box exakt so, als würde sie eine Masse haben! Wir brauchen also keinen Extra-Mechanismus um Masse zu erzeugen, Energie alleine genügt um Masse zu erzeugen.
Gibt es Elementarteilchen, die eine Masse haben, obwohl sie nichts mit einem Higgs-Feld zu tun haben? Ja!
Das Proton besteht aus drei Quarks und einer grossen Menge von Gluonen, welche die Quarks zusammenhalten. Im Standardmodell sind Quarks und Gluonen praktisch masselos. Ist deshalb das Proton auch masselos? Überhaupt nicht. Wenn die Quarks und Gluonen masselos wären, würde das Proton nur weniger als 1 % leichter. Der überwiegende Anteil der Masse eines Protons kommt von der kinetischen Energie der Teilchen (Quarks und Gluonen), die im Proton wie wild umherschwirren, vergleichbar den Photonen im Beispiel mit der Box.
Schwarze Löcher sind ein weiteres Beispiel für massive Objekte, die ihre Masse nicht über den Higgs-Mechanismus erhalten.
Prof. Leonard Susskind ist ein US-amerikanischer theoretischer Physiker und Mitbegründer der Stringtheorie. Er gibt seit vielen Jahren öffentliche Vorlesungen in Physik für ein interessiertes Publikum.