Zerfall des falschen Vakuums

Wenn der leere Raum nicht in seinem tiefsten Energiezustand ist, könnte eine Blase aus echtem Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit wachsen: was das bedeutet, wie es beginnen könnte und warum es keine Gefahr ist

Ein Gedankenspiel: Die Physik erlaubt es auf dem Papier, gesehen hat es noch niemand. Alles folgt der heutigen Theorie.

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Schritt für Schritt

Leerer Raum ist nicht leer

Teilchen erhalten ihre Masse dadurch, wie stark sie diesen Wert spüren. Das Elektron spürt ihn schwach und ist leicht; das Top-Quark spürt ihn am stärksten und wiegt fast so viel wie ein Goldatom. Ändert sich der Wert, ändern sich alle Massen mit, und mit den Massen die Größe der Atome und die gesamte Chemie.

Das Higgs-Boson, 2012 am CERN gefunden, ist eine Welle in diesem Feld. Das violette Schimmern ist gezeichnet: Das Feld selbst ist unsichtbar und sähe überall gleich aus.

Eine Kugel in einer Mulde

Stell dir die Energie des Feldes als Landschaft vor und unser Vakuum als Kugel, die in einer Mulde ruht. Liegt hinter dem Hügel ein tieferes Tal, ist unseres ein falsches Vakuum: beständig, aber nicht das tiefste.

Eine Kugel in einer Mulde ist stabil gegen kleine Stöße: Schubst man sie ein wenig, rollt sie zurück. Fällt das Gelände hinter dem Hügel aber noch tiefer ab, ist die Mulde nur metastabil, wie unterkühltes Wasser, das unter dem Gefrierpunkt flüssig bleibt, bis etwas die Eisbildung auslöst. Physiker nennen einen solchen Zustand falsches Vakuum und das tiefste Tal echtes Vakuum.

Zwei gemessene Massen

Degrassi und Kollegen zeigten das 2012, im Jahr der Entdeckung des Higgs-Bosons, und spätere Arbeiten stimmen zu. Die Massen sind die Mittelwerte der Particle Data Group aus den Messungen von ATLAS, CMS und dem Tevatron. Sie liegen nahe an der Linie, was manche Physiker schon für sich als Hinweis sehen; ein viel schwereres Top-Quark hätte das Vakuum längst zerfallen lassen.

Sicher ist es nicht. Die Masse des Top-Quarks lässt sich schwer mit der Zahl verknüpfen, die die Theorie braucht, und die Stärke der starken Kraft bringt weitere Unsicherheit. Andreassen, Frost und Schwartz berechneten 2018, dass man die Masse des Top-Quarks auf 250 MeV genau kennen müsste, um ein stabiles Vakuum sicher auszuschließen.

Wie es beginnen könnte

Die Quantenphysik erlaubt es, Barrieren zu durchqueren, die man nicht erklimmen könnte, so wie ein Alphateilchen aus einem Kern entkommt. Für das Vakuum bedeutet das, dass ein kleiner Bereich ganz ohne Ursache ins tiefere Tal springen könnte. Eine zu kleine Blase schrumpft wieder; eine knapp über einer kritischen Größe gewinnt aus ihrem Inneren mehr Energie, als ihre Wand kostet, und wächst.

Diese Zahl gilt nur, wenn das Standardmodell bis zu enormen Energien die ganze Geschichte ist. Unbekannte Teilchen könnten das Vakuum stabil machen oder seine Lebensdauer verkürzen. Manche Theoretiker haben gefragt, ob winzige Schwarze Löcher Blasen auslösen könnten (Burda, Gregory und Moss, 2015), eine Idee ohne Belege in die eine oder andere Richtung.

Keine Warnung

Sobald eine Blase groß genug ist, um zu wachsen, treibt die Energie, die frei wird, wenn das Vakuum tiefer fällt, ihre Wand immer schneller an, und in winziger Zeit bewegt sie sich praktisch mit Lichtgeschwindigkeit. Von außen gesehen wächst die Blase jedes Jahr um ein Lichtjahr: über die 100.000 Lichtjahre der Milchstraße in etwa 100.000 Jahren.

Licht von der Entstehung der Blase eilt ihrer Wand nur knapp voraus, also gibt es nichts zu sehen, bis sie da ist. Das Bild zeigt die Blase von außen, wie kein Auge es könnte: In Wirklichkeit würden die Sterne vor ihr ungestört weiterleuchten, bis zu dem Moment, in dem die Wand ankommt. Einen Menschen würde sie in wenigen Milliardstel Sekunden durchqueren, weit schneller, als irgendein Nerv ein Signal leiten kann, also würde niemand etwas spüren.

In der Blase

Innen hätte das Higgs-Feld einen ungeheuer größeren Wert, und die Massen der Teilchen und die Kräfte zwischen ihnen würden sich mit ihm ändern. Atome und damit Chemie und Leben könnten dort nicht existieren.

Jedes Teilchen, das seine Masse vom Higgs-Feld erhält, wäre in der Blase enorm viel schwerer, und das Gleichgewicht der Kräfte, das Atome zusammenhält, ginge verloren. Wie die Gesetze dort im Einzelnen aussähen, ist unbekannt: Bei solchen Feldwerten kann man dem Standardmodell nicht trauen. Klar ist, dass die Materie, aus der wir bestehen, die Wand nicht überstehen würde.

Die Schwerkraft macht es schlimmer. Das echte Vakuum liegt tiefer als unseres, dessen Energie fast genau null ist, also wäre seine Energie negativ, und Coleman und De Luccia zeigten 1980, dass der Raum in einer solchen Blase dann in sich zusammenstürzen würde. Das dunkle Violett im Inneren ist gezeichnet: Niemand weiß, wie es aussähe, falls überhaupt nach etwas.

Kann ein Teilchenbeschleuniger eine auslösen?

Nein. Kosmische Strahlung trifft Mond, Planeten und Sterne mit weit mehr Energie, als irgendein Beschleuniger erreichen kann, und das seit Milliarden Jahren. Das Vakuum ist immer noch da.

Piet Hut und Martin Rees brachten dieses Argument 1983 vor: Könnten Kollisionen bei solchen Energien eine Blase auslösen, hätte sich längst irgendwo in unserer Vergangenheit eine gebildet, und es gäbe uns nicht. Die Sicherheitsprüfung des LHC von 2008 kam zum selben Ergebnis. Beschleuniger stellen im Labor nach, was die Natur jeden Tag weit heftiger tut.

Ist es real?

Niemand weiß es. Vielleicht ist unser Vakuum doch das tiefste: Die Antwort hängt an der genauen Masse des Top-Quarks und an Physik jenseits des Standardmodells, die es, wie wir wissen, geben muss.

Das Standardmodell lässt Dunkle Materie, Schwerkraft bei höchsten Energien und vieles mehr außen vor. Neue Teilchen bei hohen Energien könnten die Form der Energie des Higgs-Feldes ändern und unser Vakuum stabil machen oder weniger stabil. Genauere Messungen des Top-Quarks am LHC und an künftigen Beschleunigern werden die Antwort eingrenzen.