Die Lehre von der Schwere

Einst spürte ich der lehrreichen Lehre echter Leere nach. Jedoch tatschte ich anno dazumal besagtes Thema lediglich mit geradezu feinfühligen Fingerspitzen an. Zeit also, nach dem Auffüllen der inneren Leere ob der Lehre von der Leere die Leere der Lehre von der Schwere mit lehrreichen Kindchenwissen aufzufüllen. Fakt ist: Unsereins ist umgeben von Materie – und doch gleichzeitig gähnender Leere. Leere, nicht Nichts. Denn sprichwörtliches Nichts vermag im Gegensatz zur Leere nicht zu existieren, selbst die leerste Leere wird von Strings aus der Stringtheorie oder Feldern in der Raumzeit aus der Quantenfeldtheorie durchwoben. Aber zurück zur Materie.

Fragen: Was ist Materie? Und wieso wiegt Materie denn überhaupt etwas? Nun, ergreife doch einmal das dir nächstliegende harte Subjekt (nicht deinen Penis!) und wiege es in deiner Hand. Was siehst du? Genau, eine scheinbar massive Materieansammlung. Ein Objekt, etwas Greifbares. Materie eben. Doch aus subatomarer Sicht besteht das in deiner Hand liegende Objekt aus geringfügigen 0,000001 Prozent Materie. Der Rest in deiner Hand ist Leere. So wie auch deine Hand an sich. Und alles um dich herum. Wohl wahr, zwischen Atomen liegt massig Freiraum. Und nur diese 0,000001 Prozent Atome geben der in deiner Hand liegenden Materie ihre Masse – respektive eigentlich nicht, aber dazu mehr im Folgenden.

Also von vorne. 4,6 Prozent der Energiedichte unseres Universums bestehen aus den uns bekannten Atomen, die restlichen 95,4 % beanspruchen Dunkle Materie, Dunkle Energie und Neutrinos – welche allesamt mehr oder minder kaum erforscht sind. Verteilten sich alle Atome des Universums gleichmäßig über Selbiges, beinhaltete ein einzelner Kubikmeter des Universums genau 0,25 Atome. In vier Kubikmetern Universum existierte ergo ein ganzes, lächerliches Atom. Verdammt wenig für ein so großes Universum. Dazwischen – aus atomarer Sicht: Leere. Auch in augenscheinlich fester Materie liegen die Atome nur selten dicht beieinander, zwischen ihnen herrscht reinste Leere vor.

Ein einzelnes Atom wiederum besteht aus dem Atomkern und einer umgebenden, verschwindend dünnen Atomhülle, ähnlich eines Punktes mit einem Kreis drum herum. Du erinnerst dich, Physikunterricht und so. Anno dazumal. Die Hülle baut sich aus negativ geladenen Elektronen auf, der Atomkern aus Protonen und Neutronen. Im Falle eines Wasserstoffatoms trägt die Masse der Elektronenhülle ungefähr 0,02 Prozent zum Gesamtgewicht des Wasserstoffatoms bei; 99,98 Prozent der eigentlichen Masse stecken in vorgenannten Protonen und Neutronen im Atomkern. Interessanterweise ist aber die Ausdehnung dieser federleichten Elektronenhülle knapp 100.000 Mal größer als der Kern des Atoms selbst. Sprich – nur ein Hunderttausendstel des Durchmessers eines einzelnen Atoms stellt der eigentliche, schwere Atomkern dar. Vergleiche etwa Eiffelturm mit Schwefelhölzchenspitze. Der Rest zwischen dem Atomkern und der umgebenden Elektronenhülle ist – Leere.

Das tatsächliche Gewicht deines in der Hand gehaltenen Penisses Objektes – sofern du es überhaupt noch hältst – stammt somit aus den winzigen Atomkernen. Diese bauen sich aus bereits erwähnen Protonen und Neutronen auf, den sogenannten Nukleonen. Ein einzelnes Nukleon besteht aus jeweils drei – und das ist jetzt kein Quark – Quarks. Proton: Drei Quarks. Neutron: Auch drei Quarks. 99,98 Prozent der Masse eines Atoms stecken folglich in den Nukleonen, welche aus Quarks bestehen. Doch siehe da: Die Masse der Quarks in den Nukleonen macht nur knapp ein bis fünf Prozent von deren Gesamtmasse aus. Die restlichen 95 – 99 Prozent Masse resultieren aus der Bewegungsenergie der zwischen den Quarks ausgetauschten Teilchen, den sogenannten schwachen, starken und elektromagnetischen Wechselwirkungen. Wie jetzt – noch mehr Teilchen? Japp, es geht nämlich noch kleiner.

Also. Atom ➡ Atomkern ➡ Nukleonen ➡ Quarks. Und jetzt? Eichbosonen. Bosonen fungieren als Trägerteilchen der zwischen den Quarks – und noch anderen Teilchen – wechselwirkenden Kräfte. Bosonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und gelten daher in der Theorie als masselos, sprich, sie wiegen nichts. Null. Niente. Ein Photon beispielsweise stellt ein masseloses Boson dar, welches die elektromagnetische Wechselwirkung – in diesem Fall elektromagnetische Strahlung – überträgt. Stell dir einfach vor, dass Bosonen Kräfte zwischen den Quarks transportieren. Na, aufmerksam gewesen? Sprich – fällt dir etwas auf? Genau – wie behauptet stammen 95 bis 99 Prozent der Masse eines Quarks von Bosonen ab, doch genau diese Bosonen sollen eine Masse von Null haben?

Des Rätsels der modernen Elementarteilchenphysik vermutete Lösung: Das gesamte Universum wird hintergründig vom Higgs-Feld, bestehend aus Myriaden einzelner Higgs-Bosonen, durchzogen, einem theoretischen Feld, das überall und immer gegenwärtig ist. Es ist zudem nicht flach, wie beispielsweise ein Fußballfeld, sondern erstreckt sich in alle Richtungen. Auch im Vakuum. Nun bewegten sich alle massebehafteten Teilchen – und damit auch Elektronen, Quarks sowie die regulären Bosonen – in einem Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit. Und wären somit allesamt masselos, wie wir bereits feststellten. Masse an sich resultiert dementsprechend aus Teilchen, welche sich im Vakuum eben deutlich langsamer denn mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Da das Higgs-Feld nun wie erwähnt auch im Vakuum existiert und sich jenes Feld auf die an und für sich mit Lichtgeschwindigkeit rasenden Teilchen auswirkt, verändert dieses deren Bewegung dahin gehend, dass sich diese Teilchen eben doch nicht mehr mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Sie bremsen dezent ab. Dieser Effekt führt dazu, dass eigentlich als masselos geltende Teilchen plötzlich Masse erhalten. (Gäbe es übrigens das absolute Nichts, also einen leeren Raum ohne besagtem Higgs-Feld, bewegten sich jene Teilchen wieder mit absoluter Lichtgeschwindigkeit und besäßen erneut keinerlei Masse.)

Dies bedeutet ergo für uns, dass die Masse der Materie keine Eigenschaft ihrer selbst darstellt, sondern aufgrund der Wechselwirkung ihrer kleinsten Elementarteilchen mit dem Higgs-Feld respektive den Bosonen, aus welchem es besteht, zustande kommt. Weshalb aber bremsen besagte Teilchen nun überhaupt innerhalb des Higgs-Feldes ab? Nun, genau hier kommt nun endlich das dank des LHC im CERN-Forschungszentrum berühmt-berüchtigt gewordene, mehrmals erwähnte Higgs-Boson ins Spiel. Jenes fungiert innerhalb der vertrauten Higgs-Feld-Matrix im übertragenen Sinne als glamouröser Weltstar. Extrem bildlich geschrieben; für absolute Dummies. Das Higgs-Boson ist gewissermaßen umwerfend schön. Es ist reich. Es ist geil. Es ist quasi der Babo unter den elektromagnetischen Teilchen. Ein Großteil der anderen elektromagnetischen Teilchen verhält sich entsprechend gierigen Autogrammjägern gleich und umringt den Higgs-Boson-Star im Felde – jedoch lediglich für kurze Zeit, bis sie ihre Starsucht zur Genüge befriedigten. Anschließend setzen sie ihre mehr oder minder ziellose Reise fort, bis sie auf den nächsten verlockenden “Star” treffen. Um Higgs-Bosonen entsteht ergo eine größere Ansammlung Fans, eine Häufung elektromagnetischer Teilchen, geballte Wechselwirkung. Billig ausgedrückt: Ein winzig kleiner Haufen schwerwiegender Materie. Und anhand der Stärke der Clusterbildung respektive Wechselwirkung der Fan-Bosonen mit den Stars und Sternchen des Higgs-Feldes definiert sich so auch seine Masse. Dabei gilt: Die Stärke der Interaktion mit dem Higgs-Feld ist wiederum abhängig von der Masse des interagierenden Teilchens. Ein masseloses Photon ignoriert den Star vollkommen, ein Elektron will immerhin einen Blick auf unseren Schönling erhaschen – und ein Quark schießt gleich ein gemeinsames Selfie mit dem Star. Eigengewicht und Menge der mit den Higgs-Bosonen wechselwirkenden Teilchen entscheiden demgemäß schlussendlich über die Masse der uns vertrauten Materie.

Masse entsteht damit quasi durch einen mehr oder minder belanglos anmutenden Nebeneffekt der Physik; ohne diesem wäre Materie nahezu masselos. Leer. Man könnte fast sagen: Dass Materie überhaupt eine Masse besitzt, stellt eine interessante, bislang auch nicht gänzlich ergründete Laune der Physik dar. Materie per se bewegt sich hart am Rande der Leere.

Brainfuck! Oder gähnende Langeweile. Wie auch immer – der meines Erachtens spannend anmutende Ursprung von dem, was Materie überhaupt erst ausmacht – nämlich die fundamentale Masse – wäre hiermit oberflächlich hinreichend geklärt.

Titelbild: wallbase.cc