Willkommen in der Planckwelt

Interview in Karlsruhe

Die thermodynamische Masse

IZ:
Willkommen in Karlsruhe ! Das KIT ist bekannt auch für das KATRIN-Projekt , mit dem die Natur der Neutrinos untersucht wird und hat viele wertvolle Beiträge zur Entdeckung des Higgs-Bosons geleistet. In 4 Monaten werden wir wissen, ob Prof. Higgs aus Schottland mit dem Physik-Nobelpreis 2013 ausgezeichnet worden ist . Die Entscheidung ist schon gefallen, denn das Nobelpreis-Komitee trifft unter strengster Geheimhaltung seine Entscheidung im Januar jeden Jahres. Der Nobelpreis wird an Forscher verliehen, die der Menschheit in der Zukunft einen großen Nutzen bieten. Welchen Nutzen soll eine Theorie bringen, die den Ursprung der Masse erklärt? Das ist eine schwierige Frage. Der experimentelle Nachweis des Higgs-Bosons verspricht diesen Nutzen für die Menschheit schon eher. Die Experimente am LHC sind eine Glanzleistung auf den Gebiet der Kühltechnik . Der LHC arbeitet als der größte Kühlschrank der Welt bei der Temperatur des flüssigen Heliums. Mit dem Grid wurde das größte globale Computernetzwerk aufgeboten . Die auf nahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Protonen erforderten die stärksten jemals hergestellten supraleitfähigen Magneten. Diese hervorragende Projektarbeit ist sicher den anteiligen Nobelpreis wert. Spin-offs werden ihren Weg in andere Branchen finden, so wie das Internet als spin-off des CERN unser soziales Leben nachhaltig verändert hat. Doch verstehen wir jetzt den Ursprung der Masse, nachdem das Higgs-Boson mit großem experimentellen Aufwand nachgewiesen wurde ?

Autor :
Wäre der Nachweis nicht gelungen, stünde die Hochenergiephysik vor einer Krise. Die theoretischen Physiker müssten einen anderen Mechanismus entwickeln, um die Masse in die Gleichungen zur Bestimmung des Wirkungsquerschnitts einzuführen und die Theorie dabei mathematisch konsistent zu halten. Ohne den Higgsmechanismus sind die Lagrange - Gleichungen nur konsistent, wenn die Teilchen masselos sind, und das sind sie im Experiment nicht. Mit dem Higgsmechanismus konnte man die Masse der beiden W-Bosonen und des Z-Bosons berechnen. Sie sind die Austauschteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung. Kann man mit dem Higgs-Mechanismus die Massen der Quarks und Leptonen berechnen ? Nein ! Versteht man mit dem Higgs-Mechanismus die Massenhierarchie ? Nein ! Kann man das Massenspektrum der Elementarteilchen von Naturkonstanten ableiten ? Nein !

IZ:
Ich gebe Ihnen recht. Die Massen der Quarks und Leptonen werden durch die Stärke der Kopplung an das Higgsfeld. Damit wird das Problem, das Massenspektrum der Elementarteilchen zu erklären, auf die einzelnen Kopplungskonstanten verschoben. Wie will man die Masse des Top-Quarks erklären, die größer ist als die Masse des Higgsbosons ? Es fehlt eine neues Konzept , den Ursprung der Masse jenseits des Wirkungsquantums zu erklären. Das Problem ist über 100 Jahre alt. Wir sollten an die damalige Wegegabelung zurück , als das Elektron entdeckt wurde.

Autor:
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts beschäftigten sich die großen Physiker jener Zeit mit der Ursprung der Masse des Elektrons. Abraham und Lorentz berechneten die elektromagnetische Masse des Elektrons und kamen auf einen Wert von E = 4/3 mc². Berechnet wurde die Selbstenergie des Elektrons im elektromagnetischen Feld beim endlichen Elektronenradius. Es gab damals viele Widersprüche zwischen verschiedenen Prinzipien, die erst Einstein mit seiner relativistischen Masse auflöste. Damit das kugelförmige Elektron nicht platzte, weil sich die einzelnen Ladungssegmente gegenseitig abstießen, postulierte Poincaré die Poincaré- Spannungen, durch ein nicht-elektromagnetisches Feld im Inneren der Ladungskugel.

IZ:
Das ist interessant. Die Masse besteht also aus zwei verschieden Bestandteilen , aus der elektromagnetischen Masse und aus der nicht-elektromagnetischen Masse. Das ist nach Einstein zulässig, da die relativistische Masse die Summe aller Energiearten ist.

Autor:
Hasenörl führte für diese nicht elektromagnetische Masse die thermodynamische Masse ein. Die Ladungskugel enthält Hohlraumstrahlung . Die thermodynamische Energie hat eine scheinbare Masse und ist von der Temperatur abhängig. Beim Elektron ist die thermodynamische Masse negativ und macht 1/3 der effektiven Masse von E= mc² aus. Diese thermodynamische Masse ist in Vergessenheit geraten. Hasenörl als Hoffnungsträger der Physik fiel 1914 im Weltkrieg mit 41 Jahren. Und doch kann die thermodynamische Masse zu einem neuen Verständnis des Ursprungs der Masse beitragen, um damit das Massenspektrum der Elementarteilchen und die Massenhierarchie zu erklären.

IZ:
Warum wollen Sie die thermodynamische Masse von Friedrich Hasenörl wiederbeleben. Was macht die thermodynamische Masse so interessant gegenüber dem Konzept der herrschenden Lehre mit dem Higgsmechanismus ?

Autor:
Wenn wir die relativistische Masse als Summe der elektromagnetischen Summe und der thermodynamischen Masse sehen, dann kommen wir bei den schweren Schwestern des Elektrons , dem Myon und dem Tauon in Erklärungsnot. Sie haben die gleiche elektrische Ladung und somit die gleiche elektromagnetische Masse. Der enorme Zuwachs der Massen kann nur durch die thermodynamische Masse erklärt werden. Die im Hohlraum eingeschlossene thermodynamische Massenenergie ist das Produkt von Entropie und Temperatur. Es ist eine große Entdeckung, dass das Verhältnis der Massenwerte der Quarks und Leptonen identisch ist mit dem Verhältnis der thermodynamischen Wahrscheinlichkeiten in der mit den Konstanten e und e²/6 modifizierten Boltzmannformel S= e k ln w. Das kann der Higgsmechanismus nicht leisten. Die Massenwerte, die thermodynamischen Wahrscheinlichkeiten und die Yukawa-Koeffizienten gehorchen der Skalensymmetrie.

IZ:
Es ist interessant, den natürlichen Logarithmus der Massenwerte mit der Entropie in Zusammenhang zubringen. Da heißt ja, dass im Hohlraum der geladenen Leptonen nur ganzzahlige Werte der Entropie zulässig sind. Wenn wir Entropie nach neuen didaktischen Konzepten mit der Wärmeladung gleichsetzen, dann haben die geladenen Leptonen zwar die gleiche elektrische Ladung, aber unterschiedliche Wärmeladungen. Oder um es auf den Punkt zu bringen, beim Boltzmannfaktor e^-( hν / kT) ist nicht nur die elektromagnetische Strahlung sondern auch die Wärmestrahlung quantisiert.

Autor:
Sie haben das gut herausgearbeitet. Wir können uns den Higgs-Mechanismus, mit dem Teilchen ihre Masse erhalten, so vorstellen, dass der Hohlraum der geladenen Leptonen, an der Phasengrenze der elektroschwachen Symmetriebrechung Wärmestrahlung in Quanten an das Vakuum abgibt und dadurch thermodynamische Masse als negative Energie erhält. Die Massenzunahme ist dabei nicht beliebig , sondern erfolgt in Quanten der Entropie. Auf diese Weise entsteht das Massenspektrum der geladenen Leptonen. Für die 12 Quarks gilt das übrigens analog.

IZ:
Diese Zeitreise zurück zum Ende des 19. Jahrhunderts ist sehr aufschlussreich. Die klügsten Köpfe Europas haben damit gerungen , Widersprüche in den Denkmodellen darzustellen und zu beseitigen. Wir benötigen anschauliche Modelle, wenn wir die Widersprüche in der heutigen Physik beheben wollen. Das Elektron war damals eine Hohlkugel mit dem klassischen Elektronenradius , gefüllt mit träger Hohlraumstrahlung und mit einer auf der Kugelwand verteilten elektrischen Ladung . Das Spektrum der Schwarzen Körpers wurde von Planck erst 1900 publiziert. Der Spin erst 25 Jahre später nachgewiesen. Die QED der 40-iger Jahre sieht das Elektron punktförmig mit der Konsequenz mathematischer Unendlichkeiten bei der Berechnung der Selbstenergie. Durch die Renormierung werden diese Unendlichkeiten einfach abgeschnitten. Nachdem die Messwerte einiger physikalische Größen mit hoher Präzision berechnet werden können, wird die Renormierung allgemein akzeptiert. Wie sehen Sie diese Entwicklung.

Autor:
Solche mathematischen Unendlichkeiten gibt es ja auch bei der Berechnung der Masse des Higgs-Bosons. Durch die Quantenbeiträge der anderen Elementarteilchen schaukelt sich die Masse hoch bis zur Planckmasse. Das wird auch als das Hierarchieproblem bezeichnet. Mathematische Unendlichkeiten kündigen immer ein neues Prinzip mit einer neuen Naturkonstante an.

IZ:
Können wir das Modell der Elektronmasse von Anfang des letzten Jahrhunderts auch auf das Proton übertragen ?

Autor:
Im Gegensatz zum Elektron spricht man beim Proton von einem endlichen Protonenradius, der auch bei den Streuexperimenten gemessen wird. Die Experimente seit dem Anfang des 20. Jahrhunderts haben dann gezeigt, dass das Proton eine positive elektrische Ladung hat, die exakt dem negativen Wert der elektrischen Ladung des Elektrons entspricht, und dass diese Ladung des Protons überraschender Weise segmentiert ist. Die beiden u- Quarks tragen zusammen + 4/3 und das d-Quark - 1/3 der elektrischen Ladung. Und wir haben analog wieder das 4/3 – Problem, aber diesmal auf akzeptierter Weise gelöst. Warum explodiert nicht das Proton durch die Abstoßung der positiven elektrischen Ladung ? Weil wir beim Proton auch eine Art Poincaré – Spannung haben, die einen negativen Druck ausübt . Wir nennen diese Spannung Confinement, den Quarkeinschluss. iese Spannung ist so groß, dass es nicht gelingt , in Kollisionsexperimenten aufgrund der starken Farbkraft Quarks einzeln aus dem Proton herauszuschlagen.

IZ:
Ein großes Thema war Ende des 19. Jahrhunderts der maxwellsche Äther als Trägermedium der elektromagnetischen Wellen. Das führte zu Widersprüchen, die mit der Speziellen Relativitätstheorie gegenstandslos wurden. Einstein benötigte keinen Äther mehr, oder um es anders auszudrücken , sollte es den Äther geben , dann ist er für die elektromagnetischen Wellen transparent. Gibt es den dennoch Äther ?

Autor:
Mit dem Higgsfeld gibt es wieder einen Äther, der wie eine Art Sirup den geladenen Teilchen außer dem Photon und den Gluonen Trägheit verleiht. Dieser Äther sagt nichts über die Massenwerte der Elementarteilchen aus. Wenn die Massen thermodynamischen Ursprung haben, dann muss es auch einen thermodynamischen Äther geben. Die absolute Temperatur wird dieser Funktion gerecht.
Das Temperaturfeld ist ein Skalarfeld , das alles durchdringt. Den Nullpunkt der absoluten Temperatur gibt es nicht. Er ist nach dem 3. Hauptsatz der Thermodynamik unerreichbar. Das Skalarfeld ist gefüllt mit Wärmeladungen. Die Elementarteilchen wechselwirken mit den Wärmeladungen und erhalten dadurch Ihre Massen. Die Anzahl der ausgetauschten Wärmeladungen bestimmt den Wert der Masse.
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