Higgs-Bosonen ohne Honig und Cocktails

BLOG: Quantenwelt

Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Elementarteilchen sind unanschaulich. Das ist nicht zu bedauern, es liegt in der Natur der Sache. Wir haben es nicht mit Gegenständen des täglichen Lebens zu tun, sondern mit den grundlegenden Konzepten der beschreibenden Theorie. In einem Interview zum Higgs-Boson hat Harald Lesch Anfang Juli ganz richtig gesagt: „Das versteht kein Mensch“. Jedenfalls nicht mit Bildern wie Cocktailpartys und Gelees.

Das beliebteste Bild dafür, wie der Higgs-Mechanismus funktioniert, ist wohl das von der Cocktailparty.  Es geistert seit 1993 durch die Physikwelt und erklärt das Higgs-Feld als Gäste einer Cocktailparty, die bei Eintreten der Premierministerin einen Klumpen bilden um ihr möglichst nahe zu sein. Die arme Premierministerin war vorher so schwer wie die anderen Partygäste, nun muss sie aber die ganze Gesellschaft mit sich führen. Ihre Masse hat sich erhöht. Lesch erklärt das Higgs-Feld lieber als Honig, in dem eine Kugel abgebremst wird.

Beide Bilder haben den Fehler, dass sie falsche Vorstellungen hervorrufen. Das Honig- oder Gelee-Bild, weil ein Objekt in viskosen Medien abgebremst wird. Das Higgs-Feld aber bremst die Elementarteilchen nicht ab, es verleiht ihnen lediglich Masse, also Trägheit und Schwere. Viel Schlimmer noch: Der Honig definiert ein ausgezeichnetes Ruhesystem. Honig hat einen definierten Bewegungszustand, das Higgs-Feld dagegen ist relativistisch invariant. Es erscheint in jedem inertialen Koordinatensystem gleich.

Das letzte Problem hat die Cocktailparty-Analogie auch. Die Partygäste haben ebenfalls Bewegungszustände und erlauben es, ein Schwerpunktsystem der Party zu definieren. Zusätzlich provoziert diese Analogie ein weiteres Missverständnis. Die Party besteht aus Menschen, die im Wesentlichen der Premierministerin ähnlich sind. Das verführt zu der Annahme, diese Gäste seien ein Bild für die Higgs-Bosonen, das durch die Premierministerin verdeutlichte Boson sei von einem Schwarm von Higgs-Bosonen umgeben, die ihm Masse verleihen. Das aber gibt der mathematische Formalismus nicht her. Es würde auch gar nicht gehen, weil die Higgs-Bosonen selbst mit ihren 126 Gigaelektronenvolt deutlich massiver sind als die W- und Z-Bosonen bei gut 80 bzw. 90 Gigaelektronenvolt.

Ich halte also beide Modelle – das der Party und das des viskosen Mediums wie Wasser, Honig oder Gelee – für irreführend und wenig hilfreich. Was bleibt ist die Frage, wie man es dem Laien denn sonst erklären soll. Vielleicht einfach wie es ist: Das Higgs-Feld ist ein abstraktes Feld mit vier Komponenten, von denen drei den W- und Z-Bosonen Masse verleihen und die vierte als schweres Spin-0-Teilchen im Teilchenbeschleuniger angeregt werden kann. Dass das nicht erklärt, warum dieser Mechanismus funktioniert, ist klar. Aber das kann das Party-Modell auch nicht.

Vorgelesen:

@felis_blue war so freundlich, diesen Beitrag vorzulesen, wer es also lieber akkustisch mag:

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Joachim

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

19 Kommentare

  1. Higgs Bosonen unbeschreibbar

    Hi Joachim,
    ja hier stellt sich die Frage, ob etwas sein kann, das man sprachlich nicht beschreiben kann.
    Grüsse Fossilum

  2. Verhexung

    Vielleicht irrte Wittgenstein, als er unterstellte, dass die Sprache den Verstand verhexe. Womöglich wird er von der Mathematik verhext.

  3. @Fossilium

    Warum sollte man es mit Sprache nicht erklären können? Nur sollte man versuchen, in Worte zu fassen, wie die physikalische Theorie die Bosonen erklärt, und nicht zu stark simplifizieren.

  4. Honigmodell besser als Partymodell

    Honigmodell und Partymodell für die Erklärung des Higgs-Felds sind beide irreführend. Rein didaktisch betrachtet ist das Honigmodell dennoch besser, denn es ist einfacher. Wenn man das Higgsfeld mit einem speziellen Honig vergleicht, dessen Viskosität sich erst bemerkbar macht, wenn mann beschleunigt, ist man schon viel näher an der “richtigen” Erklärung.
    Das Partymodell ist didaktisch schlecht, weil – wie ja Joachim Schulz schon ausgeführt hat – unklar ist was eigentlich der Promi und ihre “Fans” genau repräsentieren und welche Rolle sie verkörpern. Warum wurde dann in der Öffentlichkeit das Partymodell bevorzugt? Meiner Meinung nach einfach darum, weil das spektaktulärer und irgendwie “menschlicher” ist.

    Die “richtige Erklärung” für den Higgs-Mechanismus, Zitat: ” Das Higgs-Feld ist ein abstraktes Feld mit vier Komponenten, von denen drei den W- und Z-Bosonen Masse verleihen und die vierte als schweres Spin-0-Teilchen im Teilchenbeschleuniger angeregt werden kann.”
    ist dagegen enttäuschend. Und zwar, weil das Higgs-Feld in dieser Erklärung nur gerade den W- und Z-Bosonen Masse verleiht. Das ist dann doch etwas mager, denn das W- und Z-Boson spielen in der Alltagsphysik – also beim meisten was auf der Erde passiert – kaum oder nur eine untergeordnete Rolle.

  5. @Martin Holzherr: Honig

    Nun ja, das Honig-Modell ist deshalb etwas besser, weil es etwas weniger konkret ist. Es beschreibt aber auch nicht den Higgs-Formalismus.

    Warum zum Beispiel sollte der Honig den verschiedenen Elementarteilchen unterschiedliche Masse geben? Wie entsteht aus dem Honig ein reelles Teilchen, das Higgs-Boson? Wie erzeugt der Honig neben der Trägheit die Schwere?

  6. Honiges

    ———————–
    Wie entsteht aus dem Honig ein reelles Teilchen, das Higgs-Boson? Wie erzeugt der Honig neben der Trägheit die Schwere?
    ———————–

    Vielleicht sollte man einen ganz anders gelagerten Ansatz verwenden.

    Den Honig als extrem verdichtetes Etwas anschauen,
    Die Trägheit als einen Anpassvorgang an einen bestimmten Zustand sehen,
    die Schwere als das was sie ist, als Eigenbeschleunigung.

    Gruss Kurt

  7. Honey, I shrunk the comment (i)

    Joachim Schulz schrieb (01. August 2012, 17:27):
    > Honig hat einen definierten Bewegungszustand

    Zumindest einer bestimmten, abgeschlossenen Portion (z.B. einem bestimmten “Glas voll”) Honig kann man einen bestimmten Bewegungszustand zuordnen.
    Aber verschiedene Portionen bzw. Gläser voll Honig können durch verschiedene Bewegungszustände charakterisiert sein, obwohl alle gleichermäßen Honig wären.

    > Der Honig definiert ein ausgezeichnetes Ruhesystem.

    Nicht unbedingt — eine Honigportion (“im Glas”) könnte stattdessen beschleunigen, d.h. gegenüber jedem Ruhesystem, dessen Mitglieder diese Honigportion passierte.
    Diese Honigportion gehörte demnach überhaupt keinem Ruhesystem an.

    Das ist vergleichbar damit, dass massive Teilchen ebenfalls nicht unbedingt einem Ruhesystem angehören müssen, sondern ihr Bewegungszustand z.B. stattdessen als “beschleunigt” festzustellen sein könnte.

  8. @Frank Wappler

    Machen Sie sich doch nicht lächerlich. Niemand schlägt vor, das Higgsfeld als eine Anzahl beschleunigter Honiggläser zu erklären.

    Ich werde, wie angekündigt, solche unsinnigen Kommentare von Ihnen in Zukunft kommentarlos löschen.

  9. Ohne Higgs und doppelten Boden

    Joachim schrieb (03.08.2012, 10:11):
    > Machen Sie sich doch nicht lächerlich. Niemand schlägt vor, das Higgsfeld als eine Anzahl beschleunigter Honiggläser zu erklären.

    Mein Kommentar, Teil (i), bezog sich deutlich und ausdrücklich allein auf die zitierten Charakterisierungen von Honig.

    p.s.

    Sofern der Blogartikel aber auch auf das Higgs-Feld und die (invarianten) Massen von W- bzw. Z-Bosonen bezugnimmt, ist allerdings zu beachten, dass die (invariante) Masse eines Teilchens (z.B. eines Bosons der elektro-schwachen Wechselwirkung) auch dann definier- bzw. im Prinzip messbar ist, falls es nicht zu einem Ruhesystem gehörte.

  10. @Frank Wappler

    Sie reißen irgendeinen Satz aus dem Zusammenhang und konstruieren daraus einen Fehler, den Sie dann von oben herab zu korrigieren vorgeben. Zu solchen Kindereien habe ich keine Lust.

    Es geht in diesem Artikel weder um die Charakterisierung von Honig noch darum, die Bosonen einem Ruhesystem zuzuordnen. Wenn Sie nichts zum Thema beizutragen haben, haben Sie nichts beizutragen.

  11. Analogie mit Elektron im Kristall

    Interessant scheinen mir auch Higgs-Mechanismus-Analogien aus anderen Gebieten der Physik. Im Artikel The Higgs Boson wird die Analogie zur Beeinflussung der scheinbaren Elektronenmasse gemacht, die man bei seiner Bewegung durch den positiv geladenen Kristall beobachtet. Allerdings ist es für einen Nichtphysiker schwierig auszumachen wo diese Analogie versagt:
    “The theory hypothesizes that a sort of lattice, referred to as the Higgs field, fills the universe. This is something like an electromagnetic field, in that it affects the particles that move through it, but it is also related to the physics of solid materials. Scientists know that when an electron passes through a positively charged crystal lattice of atoms (a solid), the electron’s mass can increase as much as 40 times. The same might be true in the Higgs field”

  12. @Martin Holzherr: Kristallanalogie

    Ja, an die Analogie hatte ich auch mal gedacht. Die ist tatsächlich ganz gut und ich werde mich demnächst mal dranmachen, etwas dazu zu schreiben.

  13. Was heisst den Higg-MechanismusVerstehen

    Versteht man den Higg-Mechanismus wenn man die mathematische Beschreibung kennt und wäre somit folgende Zusammenfassung ein Schritt in diese Richtung?
    “Das Higgs-Feld ist ein abstraktes Feld mit vier Komponenten, von denen drei den W- und Z-Bosonen Masse verleihen und die vierte als schweres Spin-0-Teilchen im Teilchenbeschleuniger angeregt werden kann.”

    Ein Verstehen erzeugt das obige Faktoid wohl bei Laien kaum. Und auch der mathematische Formalismus genügt für ein echtes Verstehen meist noch nicht, denn verstehen bedeutet ja, dass man die richtigen Schlussfolgerungen zieht und weiterdenken kann. Ein mathematischer Formalismus hilft nur dem, der die Beziehung Mahematik-Physik kennt (ein guter Physiker) oder dem, der um die Verwandtschaft mathematischer Objekte weiss (ein fortgeschrittener Mathematiker).
    Martin Bäker hat sich zum “Verstehen”-Problemkomplex in seinem Artikel Kann man das Higgsteilchen “verstehen”? geäussert und folgende Unterteilung getroffen:
    – Verstehen, wozu das Higgsteilchen “erfunden” wurde
    – Verstehen, wie das Higgsteilchen prinzipiell wirkt
    – Verstehen, wie genau das Higgsfeld in dieser Weise wirken kann
    – Verstehen, wie man das Higgsfeld herleitet
    – Verstehen und Vorhersagen

    Ganz am Schluss – mit der Herleitung – wird’s dann interessant und auch etwas philosophisch und er kommt mit den Feynman-Zitaten:
    “What I cannot create, I do not understand.”
    “Know how to solve every problem that has been solved.”

    Er behauptet, Feynman sei der Ansicht gewesen, was man nicht selbst herleiten könne, habe man nicht verstanden.
    Ich tendiere dazu, dieser Aussage recht zu geben und kenne selber das Problem, dass ich eine Unruhe verspüre, wenn ich etwas anwenden soll, was ich nicht selbst “erschaffen” habe (im Kopf mindestens).

  14. s.u.

    Joachim schrieb (03.08.2012, 11:13):
    > Sie reißen irgendeinen Satz aus dem Zusammenhang […]
    > Wenn Sie nichts zum Thema beizutragen haben, haben Sie nichts beizutragen.

    Wenn schon einzelne Sätze bzw. Aussagen fragwürdig sind, dann ist deren vermeintlicher Zusammenhang mit weiteren Aussagen nun mal kaum der Rede wert.
    Es bleibt lediglich, auch zur Untersuchung der weiteren einzelnen Aussagen beizutragen.

    > […] Sie dann von oben herab […]

    Von oben herab? — heißt Blog-Artikel verfassen zu können, gegenüber denen, die darauf bestenfalls mit Kommentaren reagieren können.

  15. Higgs-Philosophie, ein erster Versuch

    Interessant für viele Laien sind ja die behaupteten Auswirkungen eines neuen physikalischen Phänomens auf das “Weltbild”.
    Hier ein paar solche zum Teil von mir imagnierte, zum Teil angelesene Änderungen, die man unter dem Higgs-Einfluss am Weltbild vornehmen muss:

    – Wenn Partikelmassen durch eine Interaktion der Partikel mit dem Higgs-Feld entstehen und das Higgs-Feld das ganze Universum durchzieht, könnte die Masse ortsabhängig sein: An einem anderen Ort im Universum könnte ja das Higgsfeld einen andern Wert haben und damit hätten dann auch alle vom Higgsfeld bestimmten Massen dort einen andern Wert. Allerdings scheint das Higgs-Feld im beobachteten Teil des Universums überall den gleichen Wert zu haben.
    – Das Higgs-Feld ist ja eine Eigenschaft des Vakuums. Durch Bestätigung des Higgs-Felds hat sich damit auch unsere Sicht auf das Vakuum verändert: Es ist jetzt weniger leer als wir vorher dachten. Möglicherweise ist ein leereres Vakuum – also eines ohne Higgs-Feld – instabil und es gibt eine spontane Tendenz, dass sich so etwas wie ein Higgs-Feld ausbildet.

  16. Beim Verständnis kein Stück weiter

    Es beruhigt mich ein klein wenig, dass auch andere die populären Beschreibungen des Higgs-Mechanismus für unbrauchbar halten. Dabei beschränken sich diese bereits auf einen winzigen Teil der Auswirkung. Die Fernwirkung der Masse, die sich in der Schwerkraft äußert, können diese Modelle nicht mal ansatzweise erklären.
    Noch größere Probleme habe ich mit dem Higgs-Boson, dass angeblich die Kraftwirkung überträgt, aber erst bei Energieen entsteht, die mit der normalen Welt nicht zu tun haben. Dafür habe ich noch nicht einmal den Versuch einer Erklärung gefunden.
    Doch wenn es so schwer ist, die Wirkung des Higgs-Mechanismus mit Vergleichen aus der makroskopischen Welt zu beschreiben; woher wissen die Physiker, dass ihre Theorie wirklich die Entstehung der Masse beschreibt ?

    Sollte einer der Leser eine Quelle kennen, die die notwendigen Grundlagen ohne Formeln verständlich erklärt;
    Nenn’ sie mir bitte.

  17. Cocktails

    Ich würde gerne wissen wie der Higgs-Mechanismus funktioniert.
    Ist das Cocktailparty Modell wirklich das beste Beispiel dafür?

  18. Higgs Mechanismus vs Higgs Teilchen/Feld

    Ja, das Party Bild hat mich bereits in die Irre geführt, denn ich wollte schon die relativistische Massenzunahme mit Hilfe der Higgs Teilchen aus der Raumdilatation ableiten.
    Folgende Auszüge aus Wikipedia mögen zur Klärung beitragen:
    – Bzgl. Entstehung des Higgs Teilchens:
    Die verbleibenden Komponenten, die sog. longitudinalen Komponenten, ändern im Gegensatz zu den Goldstonemoden des Higgs-Feldes die Energie, entsprechen also massiven Anregungen. Man fasst sie als Teilchenfelder auf, die als Higgs-Bosonen bezeichnet werden. Das Higgs-Boson ist also nicht einfach wie gewohnt das zum Higgs-Feld gehörige Teilchen, sondern es gehört zu den eben definierten „überzähligen“ longitudinalen Komponenten des Feldes. Der Higgs-Mechanismus – der eigentliche mit dem Higgs-Feld verbundene Kern des Standardmodells – involviert dagegen nur die transversalen Feldkomponenten.
    – Bzgl. Auswirkung auf andere Teilchen als W, Z Bosonen:
    Auch für andere Teilchen, z. B. die Quarks oder andere Fermionen, für die das Auftreten von Massentermen ohne Ankopplung an die Eichteilchen scheinbar nicht die Eichinvarianz stören würde, können diese Terme durch den Higgs-Mechanismus erklärt werden

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