Vakuum im Überblick
Unter einem Vakuum wird meistens
ein räumlicher Bereich verstanden, dessen Druck wesentlich kleiner ist
als der übliche Luftdruck; manchmal ist damit sogar ein absolut leerer
Raum gemeint. Um ein vollständiges Vakuum zu erhalten, müssen Sie
demnach alle Atome und Moleküle aus einem Behälter entfernen. Dann
enthält er allerdings noch elektromagnetische Wellen wie Radiowellen,
Licht und Wärmestrahlung. Wenn Sie die abschirmen, bleibt noch die
Wärmestrahlung übrig, die die Behälterwände aussenden. Um sie zu
unterbinden müssen Sie den Behälter abkühlen auf den absoluten Nullpunkt
der Temperatur, etwas unterhalb von -273 °C. Falls Sie das schaffen -
obwohl es praktisch nicht möglich ist -, haben Sie einen Behälter, in
dem nichts ist (oder in dem Nichts ist?) - könnte man meinen. Nach den
gängigen physikalischen Vorstellungen ist das nicht der Fall, und das
kam so ...
Seit der Physiker Max Planck (1858 - 1947) um die Wende zum 20.
Jahrhundert die Eigenschaften des so genannten Schwarzen Strahlers oder
Schwarzen Körpers in ein mathematisches Modell fasste, begegnet den
Forschern immer wieder die Energie des Vakuums. Ein Schwarzen Strahler
ist ein idealisierter Temperaturstrahler im Wärmegleichgewicht mit
seiner Umgebung. Er absorbiert auftreffende elektromagnetische Strahlung
aller Frequenzen wie Licht und Wärmestrahlung vollständig. Gleichzeitig
sendet er selbst Strahlung aus, die nur von seiner Temperatur abhängt.
Experimentell lässt sich ein Schwarzer Strahler durch einen innen
geschwärzten Hohlraum mit kleiner Öffnung realisieren. (Ein kleines Loch
in einem geschlossenen Schuhkarton sieht selbst in grellem Licht schwarz
aus aufgrund der vielfachen Reflexionionen im Innern.) Die Energie in so
einem Hohlraum setzt sich aus den elektromagnetischen Wellen aller
Frequenzen zusammen. Jeder Frequenz lässt sich somit ein gewisser Anteil
an der Gesamtenergie zuordnen. Seine Überlegungen führten Planck zu
einer Gleichung der mittleren Energie E, die bei einer bestimmten
Temperatur T des Strahlers zu den jeweiligen Frequenzen ν gehört:
E = hν/(ehν/kT-1) + hν/2.
Hierbei ist k die Boltzmann-Konstante der Wärmelehre und h das so
genannte Planck′sche Wirkungsquantum, ebenfalls eine Konstante, die die
Proportionalität zwischen Energie und Frequenz ausdrückt. Interessant
ist, das die Energie selbst bei der Temperatur T=0 nicht verschwindet,
es bleibt der Term hν/2. Man kann sie als Nullpunktenergie bezeichnen.
Allerdings ging Planck davon aus, dass sie keine experimentellen
Auswirkungen hat, da nur Energiedifferenzen in der Praxis wesentlich
sind (soweit man die allgemeine Relativitätstheorie nicht
berücksichtigt, die es damals noch nicht gab). Andere Physiker wie
Albert Einstein (1879 - 1955), Otto Stern (1888 - 1969) und Walther
Nernst (1864 - 1941) bauten die Idee der Nullpunktenergie in eigene
Überlegungen zur Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung
und Materie ein. Sie nahmen das Konzept der Nullpunktenergie durchaus
ernst.
Als die Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik im ersten Viertel des
20. Jahrhunderts Formen annahmen, verschwand die Nullpunktenergie der
klassischen Physik in der Versenkung - und tauchte in Form des
elektromagnetischen Quantenvakuums wieder auf.
Die Quantenelektrodynamik beschreibt elektromagnetische Felder so, dass
sie aus Photonen bestehen. Sie beschreibt zudem die Wechselwirkungen
dieser Photonen mit elektrisch geladenen Teilchen oder allgemeiner mit
Materie. Photonen sind kleine Energiepakete, deren Energie E
proportional zu ihrer Frequenz ν ist: E=hν, mit dem Planck′schen
Wirkungsquantum h. Auch Licht ist ein elektromagnetisches Feld, dass aus
Photonen besteht. Ein Photon ist außerdem durch seine Richtung und
Polarisation charakterisiert. Zusammen definieren diese Eigenschaften
den Zustand eines Photons. Nach dem mathematischen Modell der
Quantenelektrodynamik müssen alle möglichen Zustände im zeitlichen
Durchschnitt mit einem halben Photon besetzt sein. Der Energiegehalt
dieses universellen Strahlungsfeldes ist daher unvorstellbar hoch.
Seit Ende der 1960er Jahre wird von einigen Forschern ein Ansatz
alternativ zur Quantentheorie untersucht: klassische Physik + klassische
Nullpunktenergie (klassisch = ohne Quantentheorie). Hierbei wird die
klassische Elektrodynamik durch ein klassisches elektromagnetisches
Nullpunktfeld der Energie hν/2 pro Schwingungszustand ergänzt. Dies ist
die so genannte stochastische Elektrodynamik.
Ein wichtiges Ergebnis der stochastischen Elektrodynamik ist, das
mindestens einige Quantenphänomene durch sie klassisch erklärt werden
können. Ihre Ansatzpunkte zum Verständnis der Natur werden weiterhin
intensiv untersucht. Bisher konnte sie unter anderem ganz oder teilweise
folgende Phänomene erklären:
1. Quantenmechanik als klassische Physik in Gegenwart des
Nullpunktfeldes, spontane Emission stimuliert durch Nullpunktfeld,
stabiler Grundzustand des Wasserstoffatoms, Welleneigenschaft der
Teilchen
2. absoluter Bezugsrahmen für Beschleunigungen
3. elektromagnetische Strahlung beschleunigter Ladungen als Streuung der
Nullpunktstrahlung
4. Massenträgheit als Lorentz-Kraft zwischen Teilchen (Quarks, Leptonen)
und Vakuumfeld
5. Gravitation analog zur van-der-Waals-Kraft: sekundäres Kraftfeld
zwischen zum Schwingen angeregter Teilchen
6. Struktur des Universums im Großen: Leerräume (Cosmic Voids) durch
Druck der Nullpunktstrahlung
Wenn es gelingt, die Nullpunktenergie zielgerichtet zu beeinflussen
(Musterbeispiel Casimir-Effekt), eröffnet sich eine unerschöpfliche
Energiequelle und die Möglichkeit, Massenträgheit und Gravitation zu
beeinflussen. Anwendungen fänden sich nicht zuletzt in einer Raumfahrt,
die diesen Namen verdient.
Casimir-Effekt.
 Zwei
parallele Metallplatten (grün) in winzigem Abstand d ziehen sich im
Vakuum gegenseitig an. Die Kraft ist proportional zu d-4 und hat ihre
Ursache im Strahlungsfeld des Vakuums. Zwischen den Platten können
elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen λ > 2d nicht existieren; der
äußere Strahlungsdruck überwiegt. Die blauen Wellen sind Beispiele für
Wellen, die innen und außen existieren können. Die roten sind Beispiele
für Wellen, die nur außen möglich sind. Bei einem Abstand von 0,5
Mikrometer wirkt auf jeden Quadratzentimeter der Platten eine Kraft von
etwa 2x10-6 Newton. Das entspricht der Gewichtskraft einer Masse von
etwa 0,2 Milligramm.
Casimir, Hendrik Brugt Gerhard, 1909 - 2000, Physiker, geboren in Den
Haag (Niederlande). Er sagte 1948 den nach ihm benannten Effekt voraus,
der bereits 1957 und 1958 experimentell nachgewiesen wurde.
Bezeichnungen der Vakuumenergie: Nullpunktenergie, Nullpunktfeld,
Vakuumfeld, Vakuumfluktuationen, Zero Point Energy, ZPE, Zero Point
Fluctuations, ZPF.
Woher kommt die Vakuumenergie? Zwei Hypothesen: 1. Elektromagnetische
Wellen bestehen aus Photonen. Nach den quantentheoretischen Prinzipien
ist im Vakuum grundsätzlich jeder Zustand (Energie, Polarisation,
Richtung) zeitlich gemittelt mit einem halben (virtuellen) Photon
besetzt. Die nötige Energie wird jeweils nach der Heisenberg′schen
Unschärferelation kurzzeitig von der Natur (?) "geborgt". - 2. Die
Vakuumenergie wird dynamisch im ganzen Universum erzeugt durch die
Strahlung bewegter elektrisch geladener Teilchen, die selbst wieder von
der Vakuumenergie zu Schwingungen angeregt werden. Durch eine in sich
geschlossene Rückkopplung wird der energetische Grundzustand des
Universums erzeugt.
Wie groß ist die Vakuumenergie? Jeder mögliche Photonenzustand der
Frequenz ν besitzt im Vakuum die Energie hν/2 (h: Planck′sche
Wirkungsquantum). Aber wie viel Zustände gibt es? Wenn man einen kleinen
Ausschnitt des Frequenzspektrums jeweils um eine Frequenz ν betrachtet,
findet man, dass die Zahl der Zustände quadratisch mit ν steigt
(Zustandsdichte). Die zugehörige Energie steigt daher kubisch mit ν
(Energiedichte). Alle möglichen Energien ergeben somit eine gigantische
Summe. Sie wird dadurch beschränkt, dass die Frequenz in Wirklichkeit
nicht bis ins Unendliche steigen kann. Wo das Frequenzspektrum abbricht,
lässt sich noch nicht zuverlässig sagen. Trotzdem lassen sich
zuverlässig Differenzen der Energie berechnen, z. B. beim
Casimir-Effekt: Energie im freien Raum minus Energie zwischen den
Platten.
Warum nehmen wir die Vakuumenergie nicht wahr? Sie ist gleichförmig im
Raum verteilt. Etwas, das überall gleich ist, kann nicht gemessen
werden, da der Bezugsrahmen fehlt. Die Nullpunktenergie wird sogar in
fester Materie von den elektrisch geladenen Teilchen aufgenommen und
wieder ausgesendet, ohne das Strahlungsfeld zu verändern. Selbst wenn
man sich mit konstanter Geschwindigkeit durch den See der Vakuumenergie
bewegt, kann sie nicht registriert werden (Lorentz-invariant). Wenn
allerdings ein Körper beschleunigt oder bremst, nimmt er das Spektrum
der Vakuumenergie verändert wahr. Mehrere Forscher haben diesen Effekt
genauer untersucht und darin möglicherweise eine Erklärung für die
Massenträgheit und Gravitation gefunden.
The California Institute for
Physics and Astrophysics (CIPA)
mit umfangreichen (populär)wissenschaftlichen Artikeln zur Forschung im
Bereich der Vakuumenergie
http://www.calphysics.org/research.html
# erkenntnishorizont.de
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