Einsteins Formel in neuem Licht

Wer hat sie noch nicht gehört, Einsteins berühmte Formel: E=mc²? Sie beschreibt die Verbindung von Energie und Masse. Energie und Masse sind demnach als äquivalente Größen zu betrachten und können ineinander umgewandelt werden. In der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten Physiker, wie sie in Computersimulationen Energie in Masse umgewandelt und dabei mögliche Messgrößen zur genauen Bestimmung der sogenannten „effektiven“ Masse identifiziert haben.

Einsteins berühmte Formel E=mc² beschreibt den Zusammenhang von Energie und Masse: Je massereicher ein Objekt oder Teilchen und je schneller es sich bewegt, umso größer seine Energie. „Anders als die Geschwindigkeit ist dabei die Masse eines Körpers eine feststehende Größe, zumindest unserer Alltagserfahrung nach“, macht Holger Gies von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und dem Helmholtz-Institut Jena deutlich. Jedoch gilt in der modernen Physik auch die Masse nicht zwangsläufig als feststehend. So hat sich das Konzept einer sogenannten „effektiven“ Masse durchgesetzt. Sie beschreibt die Masse, die ein Teilchen zu haben scheint, wenn diese von außen gemessen wird, während sich das Teilchen in einer bestimmten Umwelt befindet.

Die effektive Masse gibt demnach auch darüber Auskunft, in welcher Weise ein Teilchen durch die Interaktion mit seiner Umwelt beeinflusst wird. Beispielsweise können sich Elektronen innerhalb von Kristallen unter bestimmten Bedingungen so verhalten, als hätten sie vorübergehend eine größere Masse. „Selbst den größten Teil unseres Körpergewichts, welches von den Kernen der Atome getragen wird, können wir als kollektive Effekte von sehr viel leichteren Grundbausteinen – den Quarks – verstehen“, erklärt Reinhard Alkofer von der Universität Graz. Auch die fundamentalen Massen der Elementarteilchen fügen sich in dieses Schema ein, da sie als Wechselwirkung mit dem umgebenden Higgs-Feld verstanden werden können.

Spontaner Zerfall des Vakuums

Doch wie lässt sich die effektive Masse eines Teilchens bestimmen? Hierfür muss eine messbare Größe gefunden werden, die sich mit der effektiven Masse eines Teilchens ändert. Nicht immer gelingt dies den Physikern. So diskutierten sie jahrzehntelang, ob die effektive Masse eines Elektrons im Feld eines starken Lasers tatsächlich gemessen werden kann. Die Wissenschaftler aus Graz und Jena haben nun einen Effekt studiert, der besonders empfindlich von der effektiven Masse abhängt: den spontanen Zerfall des Vakuums. Könnte sich in diesem Prozess vielleicht eine Messgröße verbergen, die sich zur Bestimmung der effektiven Masse eignet?

In einem extrem starken elektrischen Feld, etwa erzeugt durch einen Hochintensitätslaser, komme es zu einem spontanen Zerfall des Vakuums in Paare von Materie und Antimaterie, erläutert das Forscherteam. „Zwar sind heutige Laser noch nicht in der Lage, ein solches Experiment durchzuführen, jedoch können wir diesen Prozess präzise in Computer-Clustern simulieren“, betont Christian Kohlfürst von der Karl-Franzens Universität in Graz. In den Simulationen konnten die Wissenschaftler beobachten, wie Elektronen und Positronen erzeugt wurden – und dies je nach Intensität und Eigenschaften der Laserstrahlen mit unterschiedlichen effektiven Massen.

Ist die effektive Masse messbar?

In dieser Simulation des Vakuumzerfalls ist Einsteins berühmte Formel E=mc² am Werk, denn die Energie des elektrischen Feldes wandelt sich in die Masse der entstehenden Teilchen um. Und dadurch wiederum variiert die Masse der Teilchen: Je stärker das simulierte elektrische Feld, desto schwerer sind die Zwillings-Paare aus Materie und Antimaterie, die das zerfallende Vakuum hervorbringt. Wie die Physiker vorrechnen, lassen sich aus diesen Zusammenhängen Parameter isolieren, die einen direkten Rückschluss auf die effektive Masse der Teilchen erlauben. „Aus pragmatischer Sicht betrachtet denken wir, dass wir damit gerechtfertigt sagen können, dass die effektive Masse messbar ist“, so schließen die Forscher in der Publikation.

Allerdings: Bisher handelt es sich dabei nur um eine Simulation. Denn Hochintensitätslaser, die die benötigte Feldstärke von Trillionen Volt pro Meter erzeugen können gibt es bislang noch nicht. Jedoch mit zwei Großforschungsprojekten, dem Röntgenlaser XFEL in Hamburg und der Extreme Light Infrastructure in Tschechien, die bereits 2015 in Betrieb gehen sollen, könnte dieser Wert in greifbare Nähe rücken. Das Forscherteam hofft daher, dass künftige Laborexperimente ihre Simulationen bestätigen.

Der Gedanke, dass sogar die Massen der Elementarteilchen durch Laserlicht beeinflusst werden können, ist für die Wissenschaftler außerordentlich faszinierend. Für praktische Anwendungen im Alltag tauge diese Erkenntnis aber nicht: „Es wäre aussichtslos zu versuchen, auf diese Weise etwa den eigenen Körper zum Wunschgewicht bringen zu wollen“, so die Forscher mit einem Augenzwinkern. (Physical Review Letters, 2014, doi: 10.1103/PhysRevLett.112.050402 )

(Friedrich-Schiller Universität Jena, 14.02.2014 – KEL)