Willkommen in der Planckwelt

Die Masse wird neu geeicht

Wie schwer ist die Maß auf der Wiesn und nach welchen Maß wird gemessen ? Für die Millionen Besucher der Wiesn sind diese Fragen unerheblich . Sie interessiert vielmehr die Frage, was kostet die Maß heute und was kostet die Maß 2012. Für einen nachdenklichen Physiker, der auf der Wiesn seine Maß trinkt, ist es die Frage des Jahrhunderts. Was ist eigentlich Masse ? Was ist der Ursprung der Masse ? Wird sie zuverlässig gemessen ? Selbst Einstein, der seine Maß auf der Wiesn trank, mag darüber gegrübelt haben. Die berühmte Formel E= m c² beantwortet diese Frage nicht. Im nächsten Jahr 2012 geht es um Sein oder Nichtsein des Higgs-Bosons, denn nach der 50 Jahre alten Theorie von Peter Higgs, soll das Higgs für den Ursprung der Masse verantwortlich sein. Kann das Higgs-Boson nicht nachgewiesen werden, benötigen wir eine neue Physik. Die Masse muss neu geeicht werden , aber wie ? Für Nanotechnologen und Elementarteilchenphysiker ist das eine existentielle Frage.

Im Pavillon de Breteuil nahe Paris ist das Urmaß für die Masse aufbewahrt , ein Barren von 1 kg Platin , von Menschenhand gemacht. Das Original hat inzwischen 50 µg weniger Masse als seine 3 Kopien in Braunschweig . Man vermutet , dass Wasserstoffgas ausgedampft ist. Welches kg ist nun verbindlich? Für Physiker bedeutet diese Frage einen höchst unbefriedigenden Zustand. Beim Urmaß der Länge gab es bis vor kurzem mit dem Urmeter eine ähnliche Situation. Die Längenmessung ist jetzt über die Lichtgeschwindigkeit an die Zeitmessung gekoppelt, und die Zeit wird jetzt in Braunschweig mit der Cäsium-Atomuhr gemessen. Am liebsten wäre es den Physikern, wenn sie alle 7 fundamentalen Maße von den Naturkonstanten ableiten könnten, und wenn die gesamte Physik auf dem festen Fundament der Naturkonstanten ruhen würde.

Bei der Masse ist das schwierig , denn wir wissen immer noch nicht , was die Masse eigentlich ist . Ist sie eine fundamentale Teilcheneigenschaft oder eine abgeleitete Größe ?

Die Masse m tritt in der physikalischen Welt dreifach in Erscheinung :

1. Als Materiemenge in einem bestimmten Volumen mit einer bestimmten Dichte

2. als schwere Masse in einem Gravitationsfeld

3. als träge Masse bei der beschleunigten Bewegung

Es gibt verschiedene Ansätze, um das fundamentale Maß der Masse auf Naturkonstanten zurückzuführen. Mit der Watt-Waage will man mit komplizierten Instrumenten die Masse auf das Plancksche Wirkungsquantum zurückführen. Mit einer hochreinen isotopenfreien Kugel aus Silizium mit höchster Oberflächenqualität will man die Masse von der Avogadroschen Zahl ableiten.

Neu ist nun , die Massenverhältnisse der Leptonen und Quarks auf die Eulersche Zahl e zurückzuführen.

In der Elementarteilchenphysik hat man die Materie auf unterscheidbare Elementarteilchen reduziert und im Standardmodell nach einem Muster geordnet.

Im sonst so erfolgreichen Standardmodell haben die Elementarteilchen jedoch keine Masse.

Erst durch die Kopplung an das skalare Higgsfeld erhalten sie ihre Masse.

Je größer die Kopplung , desto größer ist die Masse.

Mit dem weltweit größten Beschleuniger LHC suchen die Physiker 2011 nach dem Ursprung der Masse . Sie wollen das Higgs-Boson mit hoher statistischer Sicherheit nachweisen. Seit Juli 2011 mehren sich die Zweifel , dass es das Higgs-Teilchen überhaupt gibt. Lässt sich das Higgs- Boson nicht nachweisen, müssen sich die Physiker nach einer neuen Theorie umschauen. Wird es im Experiment mit statistischer Sicherheit nachgewiesen, ist aber das Massenspektrum der Elementarteilchen und die Massenhierarchie immer noch nicht erklärt.

In der Elementarteilchenphysik werden die Massen der Elementarteilchen im Experiment teilweise mit hoher Präzision bestimmt und die erhaltenen Werte dann per Hand in das Standardmodell eingeführt. Warum funktioniert das Standardmodell nur mit diesen Massewerten ? Das Massenspektrum der Elementarteilchen ist bis jetzt unverstanden.

Welches Muster hat es ? Gibt es eine Struktur ? Wodurch entsteht die Massenhierarchie ?

Es kommt Erstaunliches zu Tage , wenn man das Massenverhältnis vom Tauon , der großen Schwester des Elektrons, und dem Elektron bildet. Man erhält e^3e .

Interessanter wird es noch , wenn man den natürlichen Logarithmus der Massenverhältnisse bildet:

So ist ln [ m(Tau) / m(Elektron)] = 3 e

Die Familienzahl ist jetzt eine Quantenzahl und die natürliche Zahl e stellt sich als eine fundamentale physikalische Größe heraus .

Im täglichen Leben haben wir ständig Umgang mit dem Logarithmus und mit der zugehörigen Umkehrfunktion . So sprechen wir heutzutage beim Smartphone von Giga-Byte auf der Basis des 2-er Logarithmus. Bei den Staatschulden sprechen wir von Billionen Euro mit 10^12 Euro. Die Natur hat hingegen die Basis e mit der natürlichen Zahl e= 2.7182 , auch Eulersche Zahl genannt. Der Gebrauch der Logarithmen auf der Basis 2 und 10 hat uns offensichtlich den Blick auf das Massenspektrum der Elementarteilchen verstellt.

Die Massenzustände der geladenen Leptonen können mit hoher Präzision an den Beschleunigern dieser Welt experimentell bestimmt werden.

So wie die Zeitdauer seit 1960 durch zwei Quantenzustände des Cäsiumatoms bestimmt wird , kann die Masse durch zwei bekannte Leptonen-Massenzustände definiert werden. Das wäre eine neue Methode , Massen zu eichen, unabhängig von Raum und Zeit. Denn das Urkilogramm ist nicht mehr zeitgemäß, wenn heute schon in der Zeit der Nanotechnologie Atome einzeln bewegt werde können. Unsere Zukunft wird aufgrund der kommenden Rohstoff- und Energieknappheit noch stärker durch die Nanotechnologie geprägt werden .

Das Elektron ist der Leptonen-Grundzustand. Das Myon und das Tauon sind angeregte Zustände, die im Bruchteil einer Sekunde unter Abgabe von Neutrinos wieder in den Grundzustand übergehen.

So wie Cäsium-Atomuhr das Eichmaß der Zeit unabhängig von Raum und Zeit definiert, kann der Leptonenübergang als Eichmaß für die Masse definiert werden, auf der Basis der Naturkonstanten e ,

Massenverhältnisse werden nicht von Wirkungsquantum h abgeleitet wie bei der Watt-Waage, sondern von der Thermodynamik mit ihrer Naturkonstanten k .

Berühmt ist die Formel von Boltzmann für die Entropie. Nach heutigem Verständnis wir die Entropie als Wärmeladung aufgefasst. Die Entropie S ist demnach ein Maß für die Wahrscheinlichkeit W nach S= k ln W und das zugehörige Entropiequantum ist die Boltzmannkonstante k.

Es mag ungewöhnlich sein, einem Elementarteilchen thermodynamische Zustandsgrößen, wie

Entropie, Negentropie oder sogar Temperatur zuzuschreiben. Diese Größen beschreiben im

allgemeinen den Zustand eines Ensembles von Teilchen. De Broglie hat in seiner

Thermodynamik_des_isolierten_Teilchens dieses Ensemble dem subquantischen Milieu zugewiesen.

Mit den virtuellen Teilchen des Vakuums steht das Teilchen in Wechselwirkung. De Broglie , der sich

verdient gemacht hat mit der Erklärung des Welle-Teilchen-Dualismus durch seine kompakte Formel

p= h / Lambda , hat damit die Thermodynamik als Basis für die Vereinheitlichung der Physik weiter entwickelt.

Wird die Entropie quantisiert , dann erscheint ein Muster von Wahrscheinlichkeiten, das mit

dem Massenspektrum der Elementarteilchen weitgehend übereinstimmt. Und so wie das Wirkungsquantum h mit der transzendentalen Zahl π verknüpft wird, wird das Entropiequantum k mit der anderen transzendentalen Zahl e verknüpft.

Die Quarks und die Leptonen können dann in einem Quantenmodell dargestellt werden, das

gegenüber der üblichen Darstellung die Quantennatur der Elementarteilchen-Massen zeigt. Aber warum tritt die Quantengravitation auf der untersten Ebene nicht in Erscheinung ? Die Gravitationswirkung wird überlagert durch die anderen 3 Wechselwirkungen. Erst beim Wasserstoffatom kommt die Gravitation zur Wirkung, weil die anderen Ladungen abgeschirmt sind. Die negative Ladung des Elektrons und die positive Ladung des Protons sind beim Wasserstoffatom exakt gleich. Im Kosmos bildet der entstehende Wasserstoff Wolken, die sich dann infolge der Gravitation zusammenballen und letztendlich Sterne entstehen lassen.

Masse ist der Träger von Information. Der Ursprung der Masse liegt in

Negentropie des Teilchens . Negentropie erhalten wir nach der Boltzmann-Formel, wenn die Wahrscheinlichkeit <e ist.
Jedes Teilchen hat eine eigene unterscheidbare Ladungsstruktur, die durch

Information definiert wird. Die Ladungsstruktur entsteht durch Ladungstrennung.

Um einen Vergleich von Veltman aufzugreifen:

So wie das Löschpapier die Tinte aufsaugt, so saugt das Vakuum an der Phasengrenze Entropie auf , und das Teilchen
mit seiner jeweiligen Ladungsstruktur gibt im alles durchdringenden skalaren Temperaturfeld Entropie
in Form von Quanten bzw. Wärmeladungen ab und erhält so seine Massenenergie.

Oder vergleichen wir das mit dem Wasserdampf. Wenn die Temperatur des schwerelosen Wasserdampfes sich dem
auf den Siedepunkt fällt, dann gibt der Wasserdampf Entropie in Form der Kondensationswärme an die
Umgebung ab und das Wasser wird in Gestalt von Wassertröpfchen schwer und sinkt zu Boden. Die
Wassermoleküle erhalten scheinbar an der Phasengrenze Masse.

Auch wenn das Proton nicht mehr als Elementarteilchen , sondern als zusammengesetztes Teilchen

betrachtet wird, so gilt der Wert der Masse des Protons doch immer noch als Rätsel . Sie wird

experimentell präzise mit 938 MeV gemessen . Das Massenverhältnis zum Elektron mit 1834 : 1

beschäftigt Generationen von Physikern. Die Massen der u u d – Quarks tragen als Valenz-Quarks

nur zu 1 % zur Masse bei und bei großen Energien erscheint das Proton als ein komplexes Gebilde mit

den 3 Valenz-Quarks, den Gluonen und virtuellen See-Quarks. Woher erhält das Proton seine relativ

große präzise Masse. Steckt ein verstecktes Prinzip dahinter ? Welches Prinzip erzwingt das

Massenverhältnis von Proton und Elektron ? Ist es wieder das Prinzip der Quantisierung ?

Und jetzt können wir wieder staunen :

Logarithmiert man zweimal hintereinander den Wert 1834 , ln (ln 1834)

dann kommt man auf die ganze Zahl 2 ( mit einer Fehlerabweichung von <1 % ) .

Für die Massen der Elementarteilchen gilt allgemein :

Je mehr Erhaltungssätzen das Teilchen genügt, umso größer ist die Masse,

und umso größer ist der experimentelle Aufwand, das Teilchen bei der Teilchenkollision im

Beschleuniger zu finden.

Albert Einstein , ein Meister der wissenschaftlichen Abstraktion, hat im Nachsatz zu seiner Speziellen

Relativitätstheorie die Masse als Energie definiert. Seine Formel E = mc² wurde weltberühmt und

sie gilt als vorläufige Weltformel des 20. Jahrhunderts . Einstein unterscheidet zwischen der

Ruhemasse und dem Massenanteil , der durch kinetische Energie bewirkt wird . Über den Ursprung der Masse konnte Einstein aber auch keine Aussagen machen

Higgs-Mechanismus

Die Ruheenergie ist thermodynamische Energie . Sie ist eingefrorene Information.

In Quarkfamilien wird die Quantenstruktur der Massen der Elementarteilchen gezeigt.

Interview in Genf Vortrag über das Higgs-Boson

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