Vakuumfluktuation

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Vakuumfluktuationen (auch Quanten- oder Nullpunktsfluktuation) sind Feldschwankungen in der Quantenfeldtheorie, die im Vakuum (dem Zustand niedrigster Energie) entstehen aufgrund der quantenmechanischen Energie-Zeit-Unschärferelation.

Im störungstheoretischen Formalismus der Feynman-Diagramme werden sie durch Linien für Teilchen-Antiteilchen-Paare beschrieben, die im selben Diagramm beginnen und enden. Solche inneren Linien beschreiben virtuelle Teilchen. Diese „Teilchen“ treten nur im Feynman-Formalismus auf, in anderen Modellen gibt es sie nicht. In der Populärwissenschaft wird allerdings oft behauptet, dass plötzlich entstehende virtuelle Teilchen-Antiteilchenpaare der Grund für die Vakuumfluktuationen seien. Diese Darstellung ist allerdings unkorrekt.

Vakuumfluktuationen entstehen, wenn man aus der Planckschen Strahlungsformel die Nullpunktsenergie herleitet, die auch Vakuumenergie genannt wird. Aufgrund der Unschärferelation zwischen Zeit und Energie entstehen Vakuumfluktuationen.[1] Vakuumfluktuationen stehen dafür, dass das quantenmechanische Vakuum nicht im klassischen Sinne „leer“ ist. Vakuumfluktuationen werden als mögliche Erklärung für die Dunkle Energie angesehen, jedoch unterscheiden sich die errechneten Werte um einen Betrag von 10120.

Der Casimir-Effekt (Anziehungskräfte zwischen parallelen Metallplatten), die Lamb-Verschiebung und die Paarerzeugung in überkritischen Feldern wurden in der Vergangenheit als Beweis für die Vakuumfluktuationen angesehen. Die Rolle von Vakuumfluktuationen (mit dem anschaulichen Bild der Teilchen-Antiteilchen-Paare) in der Erklärung des Casimir-Effekts und der Lamb-Verschiebung ist allerdings besonders unter mathematischen Physikern umstritten. So wies Robert L. Jaffe darauf hin, dass diese Effekte durch quantentheoretische Störungsrechnung auch ohne Vakuumfluktuationen hergeleitet werden können.[2] (Der Casimir-Effekt ergibt sich dabei aus der Van-der-Waals-Wechselwirkung für Platten unendlicher Ausdehnung und Leitfähigkeit.) Auch Joseph Cugnon hat bestätigt, dass beide Phänomene die Vakuumfluktuationen erklären könnten.[3]

Inzwischen wurden jedoch weitere Versuche durchgeführt, welche die Existenz von Vakuumfluktuationen bestätigen könnten.

Aus der Quantenfeldtheorie hat der Physiker Gerald T. Moore schon 1970 hergeleitet, dass virtuelle Teilchen, die sich in einem Vakuum befinden, real werden können, wenn Sie von einem Spiegel reflektiert werden, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Dieser Effekt wurde später auch dynamischer Casimir-Effekt genannt. Der Experimentalphysiker Per Delsing und Kollegen von der Universität Göteborg konnten dieses 2011 nachweisen.[4][5][6]

Physiker an der Universität Konstanz haben nach eigener Aussage die Vakuumfluktuationen direkt nachgewiesen. Mit einem sehr kurzen Laserpuls im Bereich einer Femtosekunde wurden Effekte gemessen, die sich nur mit Hilfe von Vakuumfluktuationen erklären lassen.[7][8] Leitenstorfer und Kollegen kommen zu dem Schluss, dass die beobachteten Effekte von virtuellen Photonen ausgelöst wurden.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Henning Genz, Karlsruhe: Vakuum - 3.6 Fluktuationen. Abgerufen am Januar 2017.
  2. R. L. Jaffe Casimir effect and the quantum vacuum. Physical Review D, 2005, 72. Jg., Nr. 2, S. 021301.Arxiv
  3. Joseph Cugnon: The Casimir Effect and the Vacuum Energy: Duality in the Physical Interpretation. In: Few-Body Systems. 53.1-2 (2012): 181–188. Online (PDF)
  4. Rüdiger Vaas: Von nichts kommt nichts. Januar 2012. Abgerufen am Januar 2017.
  5. Maike Pollmann: Licht aus Vakuum erzeugt. November 2016. Abgerufen am Januar 2017.
  6. Gerald T. Moore: Quantum Theory of the Electromagnetic Field in a Variable-Length One-Dimensional Cavity. September 1970. Abgerufen am Januar 2017.
  7. C. Riek, D. V. Seletskiy, A. S. Moskalenko, J. F. Schmidt, P. Krauspe, S. Eckart, S. Eggert, G. Burkard, A. Leitenstorfer: Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations (pdf) Abgerufen am Januar 2017.
  8. Vakuumfluktuationen. Abgerufen am Januar 2017.