Das hier ist die Rezension eines
Kapitels von “Der Stoff aus dem der Kosmos
ist” von Brian Greene. Links zu den Rezensionen der anderen Kapitel kann man hier finden.
In Kapitel 8 hat Greene erklärt, wie wichtig Symmetrien sind und wie viel sich aus den grundlegenden Symmetrien über unser Universum herausfinden lässt. Noch interessanter wird es, wenn man schaut, wie das mit den Symmetrien am Anfang des Universums war und was passiert ist, als es im Laufe der Zeit abkühlte.
Der Eiswürfel ist uns schon früher im Buch begegnet und sein Schmelzen hat uns direkt bis zum Urknall geführt. Jetzt kann er nochmal als Beispiel dienen um eine wichtige Eigenschaft der Symmetrie zu verdeutlichen: Wärme kann Symmetrien verändern. Das sieht man hier recht schön:
Zuerst waren da ein paar Eiswürfel – am Ende ist nur noch noch Wasser. Beides ist H2O – aber Eis und Wasser sehen völlig unterschiedlich aus. Wüssten wir nicht, das beides aus dem gleichen Stoff besteht und würde man uns ein Glas Wasser und einen fest gefroreren Eiswürfel vorsetzen, dann wären wir wohl sehr überrascht, wenn man uns sagen würde, das es sich bei beidem um die gleiche Substanz handelt. Und das H2O ändert nicht nur sein Erscheinungsbild – auch die Symmetrie ändert sich. Wasser in flüsiger Form ist sehr symmetrisch. Ein Schluck Wasser unterscheidet sich kaum vom anderen und ich kann ihn hin und her drehen soviel ich will und werde keinen Unterschied merken. Wenn ich die Temperatur aber soweit senke, dass ich irgendwann 0 Grad unterschreite, wird diese Symmetrie plötzlich gebrochen. Das Wasser wird fest und damit deutlich weniger symmetrisch als vorher. Ich kann die Symmetrie aber auch erhöhen indem ich das Wasser erhitze bis es verdampft. Wasserdampf ist noch symmetrischer als flüssiges Wasser.
Startet man mit Wasserdampf und kühlt ihn langsam ab, so werden ich zuerst bei 100 Grad und dann bei 0 Grad zwei Phasenübergange bemerken, bei denen jedesmal die Symmetrie verringert wird. So stellt man sich das auch beim Universum in seiner Gesamtheit vor. Das war ja früher, kurz nach dem Urknall dramatisch viel heißer als jetzt, wo die Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt. Und auch beim Abkühlen des Universums hat es Phasenübergänge gegeben. Das, was hier kondesierte, war allerdings kein Wasser sondern ein Higgs-Feld.
Über Felder hat Greene ja schon früher gesprochen. Zu jeder Kraft kann man sich auch ein passendes Feld denken (das Magnetfeld ist wohl das anschaulichste Beispiel). Die Kraft wird in solchen Feldern dann durch spezielle Teilchen beschrieben. Das Photon überträgt beispielsweise die elektromagnetische Kraft; Gluonen sind für die starke Kernkraft verantwortlich und W- bzw. Z-Teilchen für die schwache Kraft. Alle diese Teilchen hat man auch im Experiment nachgewiesen; es fehlt noch das Graviton, dass die Gravitationskraft überträgt. Dann kann man sich auch noch die Wellenfunktionen der Quantenmechanik als Felder denken, die die Teilchen beschreiben. Und neben Kraftfeldern und Materiefeldern soll es auch noch eine dritte Art von Feld geben: das Higgs-Feld.
Das ist ein ganz besonderes Feld. Denn je heißer die Temperatur ist, desto stärker fluktuieren Felder im Allgemeinen. Das bedeutet, dass sie um den Wert Null schwanken. Kurz nach dem Urknall war es wahnsinnig heiß – 1032 Kelvin. Die Felder schwankten wild hin und her. Als das Universum dann immer kühler wurde, wurden auch die Schwankungen geringer und haben sich irgendwann bei Null eingependelt. Nicht so beim Higgs-Feld! Das kondensiert bei einem nichtverschwindenden Wert!
Greene erklärt das mit einem Frosch in einer Schüssel (Greene findet immer super Vergleiche 😉 ). Angenommen, wir haben eine normale Schüssel in deren Mitte ein Haufen Würmer liegen, die der Frosch gerne essen will. Leider waren wir fies und haben die Schüssel aufgeheizt. Damit er keine heißen Füße kriegt, springt er wie wild in der Schüssel rum. Erst wenn es kühl genug wird, wird er sich in Ruhe in der Schüsselmitte niederlassen. Das entspricht den Feldern, die zuerst wild rumschwanken und sich dann bei Null einpendeln. Nehmen wir nun keine normale Schüssel, sondern eine, die in etwa so aussieht:
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