- Der Vakuumzerfall könnte 10.000 Mal früher eintreten als bisher erwartet, jedoch immer noch in einer fernen Zukunft. Physiker betrachten “leeren Raum” als eine Reihe von Grundeinstellungen von Quantendfeldern, wobei Anpassungen Teilchen erzeugen. Das Higgs-Feld hat einen Grundwert über Null, der die Masse fundamentaler Teilchen bestimmt und durch “Tunneln” zu einem energieärmeren Zustand wechseln kann. Quantenkorrekturen und Wechselwirkungen beeinflussen die Form der Energiekurve des Higgs-Feldes, was auf einen möglichen energieärmeren Zustand hindeutet. Der Vakuumzerfall würde sich lichtschnell ausbreiten, das Universum transformieren und Materie kollabieren lassen, jedoch nicht vor 10790 Jahren.
Vakuumzerfall, ein Prozess, der das Universum, wie wir es kennen, beenden könnte, könnte 10.000 Mal früher eintreten als bisher erwartet. Glücklicherweise passiert dies dennoch in einer sehr, sehr fernen Zukunft. Wenn Physiker von “leeren Raum” sprechen, klingt es, als ob es sich auf völlige Leere bezieht, was in gewissem Sinne auch zutrifft. Es handelt sich um eine Reihe von Grundeinstellungen, wie bei einem Schaltpult. Wenn die Quantendfelder des Raums in diesen Voreinstellungen ruhen, betrachtet man den Raum als leer. Kleine Anpassungen erzeugen Teilchen – dreht man das elektromagnetische Feld etwas höher, erhält man ein Photon. Große Anpassungen hingegen erzeugen neue Grundeinstellungen, was eine andere Definition von Leere erzeugt, mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Das Higgs-Feld: Der Schlüssel zur Massenregulation
Ein Quantendfeld ist besonders, weil sich sein Grundwert ändern kann. Das Higgs-Feld bestimmt die Masse vieler fundamentaler Teilchen wie Elektronen und Quarks. Im Gegensatz zu anderen bekannten Quantendfeldern hat das Higgs-Feld einen Grundwert über Null. Erhöht oder verringert man dieses Feld, steigen oder sinken die Massen von Elektronen und anderen Teilchen. Wenn der Wert des Higgs-Feldes Null wäre, wären diese Teilchen masselos. Ohne Quantenmechanik könnten wir auf diesem nichtnulligen Voreinstellungswert für immer bleiben. Ein Quantendfeld kann jedoch “tunneln”, zu einem neuen, energieärmeren Wert springen, selbst wenn es nicht genügend Energie hat, um höhere Zwischenwerte zu überwinden – ähnlich wie das Durchqueren einer soliden Wand.
Für dieses Tunneln muss ein energieärmerer Zustand existieren. Vor dem Bau des Large Hadron Colliders dachten Physiker, der aktuelle Zustand des Higgs-Feldes könnte der niedrigste sein. Diese Annahme hat sich jedoch geändert. Die Kurve, die die Energie für verschiedene Einstellungen des Higgs-Feldes darstellt, ähnelt immer einem Sombrero mit hochgebogenem Rand. Der aktuelle Wert des Higgs-Feldes kann als Ball am Boden des Randes dargestellt werden.
Quanteneffekte und ihre Rolle
Feine Quantenkorrekturen können die Form der Kurve verändern. Quantendfelder tauschen Energie miteinander aus. Die Quanteninteraktionen zwischen Elektronen und dem elektromagnetischen Feld verschieben beispielsweise die Energieniveaus von Atomen, ein Effekt, der in den 1940er Jahren entdeckt wurde. Für das Higgs-Feld wird die Krümmung des Sombrerorands durch die Masse des Higgs-Bosons bestimmt, das 2012 im Large Hadron Collider entdeckt wurde. Weitere Korrekturen stammen von stark mit dem Higgs wechselwirkenden Teilchen, insbesondere den massereichsten wie dem Top-Quark, dem schwersten bekannten Elementarteilchen. Durch den Vergleich der Masse des Higgs-Bosons mit der des Top-Quarks glauben Physiker nun, dass der Sombrero möglicherweise an einer höheren Einstellung des Higgs-Feldes wieder abfällt, was auf einen noch energieärmeren Zustand hinweist.
In diesem Fall sollte das Higgs-Feld schließlich zu diesem Zustand tunneln oder “zerfallen”. Dieser Zerfall würde an einem Ort beginnen und sich ausbreiten, eine kugelförmige Blase, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt und das Universum transformiert. Fundamentale Teilchen würden viel schwerer werden und stärker durch die Schwerkraft zusammengezogen als durch andere Kräfte auseinandergehalten. Atome würden kollabieren.
Ein Blick in die Zukunft
Dieser Übergang wird allerdings nicht so bald eintreten. Physiker schätzen die Wahrscheinlichkeit des Vakuumzerfalls auf unterschiedliche Weise. Sie berücksichtigen die verschiedenen Transformationen, die notwendig sind, um das Feld von einem Wert zum anderen zu bringen – Transformationen, die die Energieerhaltung verletzen, was durch die Quantenmechanik kurzzeitig erlaubt wird – und gewichten jedes Szenario entsprechend. Laut diesen Schätzungen wird ein Vakuumzerfall einmal alle 10794 Jahre in einem Kubik-Parsec Raum auftreten, eine fast unvorstellbare Zeitspanne. Bisher sind nur 1010 Jahre seit dem Urknall vergangen.
Kürzlich fanden Physiker in Slowenien einen kleinen Fehler in der Berechnung, der das Ende des Universums auf 10790 Jahre beschleunigt. Obwohl eine Veränderung um den Faktor 10.000 signifikant erscheint, ist sie viel kleiner als die Unsicherheiten in anderen Teilen der Berechnung. Wichtig ist: Keine dieser Unsicherheiten ist groß genug, um vergangene Epochen bis zum Horror des Vakuumzerfalls zu überbrücken.
