Als das Higgs-Feld die kosmische Inflation in Gang setzte

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18.03.2014
von Dr. Harald Zaun | Klett MINT | #mintmagazin

Als das Higgs-Feld die kosmische Inflation in Gang setzte

Dank der Entdeckung des Higgs-Teilchens könnte auch die Richtigkeit der Urknall-Theorie und die der kosmischen Inflation Bestätigung erfahren.

Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens ist für Physiker klar: Es muss auch ein Higgs-Feld geben, das allen Elementarteilchen, die mit diesem Feld wechselwirken, ihre Masse verleiht. Diese Erkenntnis freut neben den Higgs-Entdeckern vor allem die Kosmologen: Wenn dieses Higgs-Feld schon seit Anbeginn des Universums vorhanden war, beweist es, dass viele aktuelle Ideen über die Frühgeschichte unserer Welt richtig waren.

 

Mit dem Universum eng verbunden

Sollte sich das Modell des Higgs-Feldes als korrekt erweisen, wäre evident, dass die fundamentalen Eigenschaften der allerkleinsten Teilchen mit der Entwicklung des expandierenden Universums aufs Allerengste verbunden sind. Schließlich spielte das Higgs-Feld eine ganz besonders wichtige Rolle zu der Zeit, als das Universum weitaus kleiner war als ein Atomkern.
Da der Quantenmechanik zufolge alle Eigenschaften – ob Ort oder Zeit, Impuls oder Energie – naturgemäß um bestimmte Werte pendeln, gilt diese Maxime ebenso für alle Kraft- und Energiefelder, nicht zuletzt auch für das Higgs-Feld. Schwingt etwa ein Energiefeld wie das Higgs-Feld über seine Grenzen hinaus, setzt sich mitunter ein einmaliger, nicht wiederholbarer Vorgang in Gang, der in Fachkreisen als große Inflation (lat. inflationis: Anschwellen, Aufblasen) bekannt ist.

 

Sprung in die Inflation

Genau dies geschah vor 13,7 Milliarden Jahren unmittelbar nach dem Urknall. Damals pendelte das schwankende Higgs-Feld, welches das Universum erfüllte, offenbar in einen Energie-Bereich, in dem es eigentlich nicht pendeln sollte. Eine winzige Fluktuation im Raum-Zeit-Gefüge reichte dann aus, um einfolgenschweres Ereignis auszulösen. Zuvor noch in einem „falschen“ Zustand gefangen, fand das Universum blitzartig zu seinem richtigen zurück. Wie man sich dies vorstellen kann, zeigt das Beispiel vom unterkühlten Wasser.

Analogie zum unterkühlten Wasser

Bekanntermaßen gefriert Wasser in der Natur bei Temperaturen unter null Grad Celsius zu Eis. Kühlen wir hingegen unter Laborbedingungen flüssiges Wasser in absolut reinen Glasgefäßen langsam unter null Grad Celsius ab, bleibt es interessanterweise flüssig. Völlig isoliert von allen äußeren Störungen gelingt es, Wasser bis auf minus 17 Grad Celsius abzukühlen, ohne dass es gefriert.
Voraussetzung hierfür ist, dass beispielsweise keine Geräusche das Wasser in Schwingungen versetzt, kein Staubkorn ins absolut sterile Reagenzglas fällt. Nur wenn einfach überhaupt nichts das langsam abkühlende Wasser stört, bleibt Wasser auch bei Temperaturen weit unter null Grad Celsius flüssig. Dieser Effekt des unterkühlten Wassers ist eigentlich ein unmöglicher Zustand, der in unserer realen Welt nicht auftaucht.
Im Experiment friert das unterkühlte Wasser schlagartig, sobald es auch nur der kleinsten Störung ausgesetzt wird. Dazu reicht schon ein leichtes Flüstern an der Eingangstür des Labors aus. Von einem Moment zum nächsten springt das unterkühlte Wasser vom „falschen“ in den „richtigen“ Zustand über. Bei diesem sprungartigen Phasenübergang wird Kondensationsenergie frei, weil die im flüssigen Wasser einigermaßen frei beweglichen Wassermoleküle beim Gefrieren in Kristalle eingepfercht werden.

 

Schicksal des Universums

Just einen solchen sprunghaften Vorgang wie das unterkühlte Wasser machte das Universum unmittelbar nach dem Urknall durch. Die bei dem „Sprung“ frei werdende anti-gravitative Energie setzte den Mechanismus der Inflation in Gang. Innerhalb eines Zeitraums von 10-35 bis 10-30 Sekunden nach dem Urknall blähte sich das All um den gigantisch unvorstellbaren Faktor 1050 auf.
Nach dem Urknall, aber noch vor der Inflation legte somit das Higgs-Feld das Schicksal des Universums irreversibel fest. Hätte es nur um eine Nuance anders geschwankt, wären mitnichten komplex strukturierte Gehirne entstanden, die hier und heute über Gott und die Welt und dessen Higgs-Feld sinnieren könnten.

 

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