Kräfte aus dem Nichts

11.07.2014

Das Vakuum ist nicht leer - dass eine Menge Energie darin steckt, zeigt der Casimir-Effekt. Mit einem Trick lassen sich die Kräfte aus dem Nichts vervielfachen

Am absoluten Nullpunkt hört jede Bewegung auf. Teilchen nehmen ihren Grundzustand ein. Weniger Energie können sie nicht besitzen. Betrachtet man jedoch wie die Quantenfeldtheorie das Vakuum als Überlagerung von Quantenfeldern in unterschiedlichster Konfiguration, dann stellt man plötzlich fest, dass auch im scheinbaren Nichts noch eine Menge Energie steckt. Die sich überlagernden Quantenfelder besitzen Amplituden und Wellenlängen, die von Null verschieden sind.

Diese Energie können wir dem Vakuum nicht entziehen, denn es handelt sich ja um den Grundzustand. Auch messbar ist sie nicht, denn zur Messung müsste man ihr ja einen messbaren Betrag entnehmen. Aber sie lässt sich berechnen – dummerweise kommt man dabei auf einen Wert, der um viele Größenordnungen zu hoch ist. Jeder Energie ist ja eine Masse zugeordnet.

Der Physiker John Wheeler hat auf den bekannten Planck-Konstanten basierend ausgerechnet, dass das Universum eine Energiedichte von 1094 Gramm pro Kubikzentimeter haben müsste. Ein aus dem Weltall geschnittener Würfel mit einem Zentimeter Kantenlänge würde demnach Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Milliarden Kilogramm wiegen. Das Universum dürfte unter diesen Bedingungen überhaupt nicht existieren: Seine ungeheure Masse hätte die Expansion, die wir heute beobachten, wirkungsvoll verhindert. Ein Glück, dass die reale Massedichte, so die Messungen der Physiker, um 120 Größenordnungen (!) darunter liegt.

Das ist aber ein Problem der Theoretiker – noch wissen die nicht so recht, wie sie damit umgehen sollen. In der Supersymmetrie etwa ließe sich die Vakuumenergie elegant herausrechnen, doch momentan deutet wenig darauf hin, dass die Supersymmetrie unser Universum besser beschreibt als die heutige Quantenfeldtheorie.

Der Casimir-Effekt

In der Praxis spielt die Vakuumenergie eh keine große Rolle, ganz egal, wie groß sie denn nun wirklich ist. Gerade einmal als Weltuntergangs-Szenario hat sie eine gewisse Berühmtheit erlangt: Es wäre ja möglich, dass das, was wir als Grundzustand ansehen, gar nicht der wirkliche Grundzustand des Universums ist. Dann könnte das Weltall irgendwann auf diesen wahren Grundzustand zurückspringen, mit unberechenbaren (aber sicher nicht unsichtbaren) Konsequenzen. Trotzdem ist die Vakuumenergie keine rein theoretische Konstruktion, denn ihre Existenz lässt sich an verschiedenen Effekten nachweisen.

Am bekanntesten ist darunter der experimentell schon 1958 erstmals bestätigte Casimir-Effekt. Vorhergesagt hat ihn der niederländische Physiker Hendrik Casimir 1948. Aus der Quantenfeldtheorie ergibt sich, dass auf zwei parallele, elektrisch leitende Platten im Vakuum eine Kraft wirkt, die diese zusammendrückt. Die beiden Platten müssen dafür sehr eng zusammenstehen - damit der Effekt messbar ist, sollten es einige Nanometer sein. Die Kraft entsteht, weil im Zwischenraum nur bestimmte virtuelle Teilchen entstehen können, deren Wellenlänge zum Abstand der Platten passt.

Dieser Abstand muss ein ganzzahliges Vielfaches der Teilchen-Wellenlänge betragen. Außerhalb der Platten jedoch fehlt diese Einschränkung. So entsteht eine Druckdifferenz der virtuellen Teilchen zwischen innen und außen, die die Platten zusammenschiebt. Bei 11 Nanometern Abstand liegt der Druck immerhin bei 100 Kilopascal.

Der russische Physiker Jewgeni Lifschitz hat Casimirs Berechnungen schon in den 1950er Jahren auf allgemeinere Fälle erweitert. Er konnte auch zeigen, dass die Casimir-Kraft nicht nur anziehend, sondern auch abstoßend sein kann. Das hängt vor allem von den Eigenschaften des Materials ab. Diese Vorhersage wurde 2009 experimentell verifiziert. Sie könnte sich, hoffen Forscher, nutzen lassen, um Objekte reibungslos schweben zu lassen.

Energie aus dem Nichts?

Energie aus dem Nichts lässt sich mit dem Casimir-Effekt leider nicht gewinnen. Virtuelle Teilchen bleiben stets nur so lange erhalten, wie für sie die Unschärferelation gilt, also abhängig von ihrer Energie nur sehr kurze Zeit. Der Casimir-Effekt verstößt damit kein bisschen gegen den Energieerhaltungssatz, was zum Bau eines Perpetuum Mobile nötig wäre.

Allerdings lassen sich die daraus resultierenden Kräfte unter bestimmten Umständen vervielfachen, wie Physiker in den Veröffentlichungen der US-Akademie der Wissenschaften zeigen. Die Forscher betrachten die von virtuellen Photonen vermittelte Kraftwirkung für den speziellen Fall, dass diese Photonen sich entlang eindimensionaler Leiter bewegen.

Während normalerweise die Casimir-Kräfte mit der sechsten Potenz des Abstands der Platten (bei Entfernungen im Bereich der Photonen-Wellenlänge) beziehungsweise sogar mit der siebenten Potenz (bei größeren Entfernungen) abnehmen, erhalten die Physiker in diesem Fall nur eine Abnahme mit der dritten Potenz (oder noch weniger für sehr geringe Entfernungen).

Als eindimensionaler Leiter für die Photonen könnte ein Waveguide dienen, wie er in der Quantenoptik längst im Einsatz ist. Bisher handelt es sich dabei allerdings nur um Berechnungen. Die Forscher schlagen in ihrem Paper experimentelle Umsetzungen vor, auf die wir nun warten müssen.

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