Die Leere füllt sich wieder – Das Vakuum, Teil II

Liebe Leserinnen und Leser,

sowohl hier, als auch in meiner historischen Astro-Mailingliste, schrieb ich über das, woraus das Universum im wesentlichen besteht, dem Vakuum.

Wir streiften die alten Griechen, z. B. Demokrit, der das Vakuum für seine Atom-Theorie brauchte, Aristoteles, der ein Vakuum ablehnte, erlebten den Niedergang des Gedankens, es könne einen Äther geben, der den Raum erfüllt, sprachen davon, dass im Vakuum alle Gegenstände mit gleicher Geschwindigkeit fallen und erfuhren, dass sich das Licht unabhängig der Richtung mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

Kurz gesagt. Das Vakuum wurde in diesem Artikel, der geschichtlich ungefähr einen Zeitraum von 2400 Jahren abdeckt, immer leerer.

Heute wird es ziemlich abstrus,denn das Vakuum wurde ab dem 19. Jahrhundert durch die Quantenphysik wieder voller. Wer zur Wiederholung den ersten Teil meiner Abhandlungen über das Vakuum nochmal lesen möchte, findet den Text auf https://blindnerd.wordpress.com.

Und es geht los:

Schuld daran, dass sich das Vakuum Anfang des 20 Jahrhunderts langsam wieder zu füllen begann, war die Quantentheorie. Mit ihr können Phänomene beschrieben werden, z. B. das spontane Entstehen und Vergehen von Teilchen, die man sich ansonsten nicht erklären könnte.

Schon sehr bald, wurde diese Theorie auf das Vakuum angewendet.

In den 30er und 40er Jahren des 20. Jahrhundert arbeiteten Wissenschafftler, wie Richard Feynman ein Konzept eines dynamischen Vakuums aus.

Diesem werden wir uns langsam nähern,

denn es könnte etwas verwirrend sein. Aber bitte, bleibt bei mir und lasst mich nicht alleine mit diesem komplizierten Thema.

Ein Grundpfeiler dieses Konzeptes ist die Annahme, dass das Vakuum obwohl es scheinbar keine Materie enthält, voller Energie und verborgener Aktivität ist.

im Grunde genommen, ist das moderne Bild vom Vakuum ein Kompromiss zwischen der Auffassung des
Demokrit und der des Aristoteles:

Der erste hatte insofern recht, als die
Welt aus Atomen und dem Leeren besteht, und der zweite insofern, als
er behauptete, daß es keinen wirklich und absolut leeren Raum gäbe.
Die beiden neuen Eigenschaften, mit denen die Quantenmechanik
das Vakuum ausstattete, sind Vakuumfluktuationen und Vakuumpolarisation. Beide Termini machen deutlich, dass das dynamische Vakuum etwas Neues ist: Wirkliches Nichts kann weder fluktuieren noch
Polarität zeigen. Beide Phänomene beruhen letztlich auf der Unschärferelation, dem zentralen Dogma der Quantenmechanik, nach dem es unmöglich ist, gleichzeitig und mit Gewissheit den Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens zu bestimmen.
Eine Folge der Unschärferelation ist die sogenannte Nullpunktenergie mechanischer Systeme. Wenn sich beispielsweise zwei Atome so zusammenfügen, dass sie ein Molekül bilden, welches einer straff gespannten Feder mit einem Gewicht an jedem Ende ähnelt, werden sie
von sich aus entlang ihrer gemeinsamen Achse schwingen. Die Schwingung lässt sich nie ganz eliminieren. Stets bleibt ein letztes nicht zu unterdrückendes Zittern, die sogenannte Nullpunktbewegung, ein Beben

Nach der Theorie der Elektrizität und des Elektromagnetismus, ist Licht nichts anderes, als schwingende magnetische Felder. Diese unterliegen dann natürlich auch diesem Nullpunkt-Zittern und werden davon beeinflusst.

Der Forscher, dessen Name an dieser Stelle genannt werden muss, ist auf jeden Fall james Clerk Maxwell, der diese Theorie im 19. Jahrhundert wesentlich entwickelte.

Die Quantentheorie besagt also, dass es nirgends, noch nicht einmal in einem
vollständig dunklen Vakuum, eine gänzliche Abwesenheit des elektromagnetischen Feldes gibt. Stets finden sich in einem solchen Raum zufällige elektromagnetische Felder, die schwach fluktuieren, und jede Fluktuation trägt ihre eigene Nullpunktenergie.

Das nächste seltsame Ding, das die Quantentheorie voraussagt, ist die Vakuumpolarisation.

Es kommt gelegentlich vor, das so eine elektromagnetische Fluktuation über genügend Energie verfügt, um spontan ein Teilchenpaar auszubilden. Ohne eine sonstige Außenwirkung verwandelt sich somit Energie in Masse, genauer gesagt in ein Elektron und sein Gegenteil, ein Positron. Der Prozess kann auch umgekehrt ablaufen. Dann werden die beiden kleinen Massen wieder zur Fluktuationsenergie. Diese Tatsache, dass sich Energie in Masse und umgekehrt verwandeln können, ist die Grundlage von Einsteins Relativitätstheorie. Die Formel E=MC^2 hat sicher jeder schon mal gehört.

Ist in der Nähe des Entstehungsortes eines Elektron-Positron-Paares zufälligerweise eine positive Ladung, dann wird das negativ geladene Elektron zu ihr hin gezogen und das Positron abgestoßen. Das Paar richtet sich ähnlich, wie eine Kompassnadel aus. Somit wird das Vakuum vorübergehend polarisiert.

Das dynamische Vakuum ist wie ein stiller See in einer Sommernacht. Seine Oberfläche wellt sich unter dem Einfluß schwacher Fluktuationen, während überall Elektron-Positron-Paare aufleuchten und
verlöschen wie Glühwürmchen. Der Ort ist lebendiger und freundlicher als die lebensfeindliche Leere des Demokrit und der eisige Äther des Aristoteles. Seine ruhelose Aktivität ist höchst faszinierend für Physiker und verführt zu Spekulationen über seine Beschaffenheit und sogar seinen potentiellen Nutzen. Als theoretisches Konzept ist das dynamische Vakuum sehr interessant, doch ob es physikalisch gültig ist, ließ
sich nur im Labor entscheiden.

 

Die experimentelle Erforschung des Vakuums lässt sich in drei Phasen gliedern.

Als erstes stellten Theoretiker wie Richard Feynman, als sie aus den geheimen Bombenlaboren
des Zweiten Weltkriegs zurückkehrten, um ihre Arbeit in der Grundlagenforschung fortzusetzen, erfreut fest, dass sich das mikroskopische Vakuum im Innern des Atoms bei Experimenten als so dynamisch erwies, wie sie angenommen hatten. Nur ein paar Monate später entdeckte ein holländischer Physiker, der in der Industrie tätig war, quantenmechanische Effekte im gewöhnlichen makroskopischen Vakuum eines leeren Gefäßes. In jüngster Zeit hat schließlich die experimentelle Forschung ans Licht gebracht,
wie das dynamische Vakuum mit einzelnen Atomen wechselwirkt. Das
Nichts bildet eine unteilbare Einheit mit der Materie.

 

Der zweite Akt des Dramas, das vom dynamischen Vakuum handelt, befasst sich mit der Frage,
wie sich elektrisch neutrale Materieteilchen, die in einer Flüssigkeit schweben, gegenseitig beeinflussen.
Mit Hilfe der Quantentheorie und der bekannten Gesetze des Elektromagnetismus errechnete der Forscher Hendrik Casimir sorgfältig den mathematischen Ausdruck für die Anziehungskraft zwischen zwei neutralen Atomen –
eine sehr schwache Kraft, die das Gesamtergebnis der gegenseitigen
Abstoßungen und Anziehungen ihrer elektrisch geladenen Bestandteile, ist.

Die Konsequenz dieser Kraft ist, dass sich zwei sehr große parallel zueinander aufgestellten Metallplatten ganz schwach anziehen.

 

Ende des letzten Jahrhunderts, hat sich der Vorhang zum dritten Akt gehoben.
Die Geschichte des Vakuums ist hiermit in eine neue Phase eingetreten. Die Entwicklungen in der Vergangenheit, betrafen das Verhalten einzelner Atome in einem Vakuum zwischen Platten und verbanden
damit Eigenschaften des mikroskopischen Vakuums von Atomen mit denen des makroskopischen

 

Hier noch etwas zum praktischen Nutzen des gesagten:

Das Vakuum beeinflußt die Strahlungsemission und Absorption von Atomen. Ein Elektron, das einen bestimmten Energiebetrag absorbiert hat, weil es Wärme, Licht oder einem elektrischen
Funken ausgesetzt war, fällt bald wieder in seine ursprüngliche niedrigere Position auf der Energietreppe zurück. Die damit verbundene Licht- oder Radiowellenstrahlung nennt man spontane Emission und
hielt sie für eine Grundeigenschaft des Atoms,

Doch wo bleibt die von einem Atom emittierte Strahlung? Offensichtlich entweicht sie in das umgebende Vakuum, es sei denn, dieses Vakuum wäre nicht in der Lage, sie aufzunehmen.

Sperrt man ein Vakuum in einen Raum ein, der zu einer emitierten Welle passt, dann kann das Vakuum die Energie aufnehmen. Wie das genau funktioniert, führt aber hier zu weit.

Auf jeden Fall ist dies der springende Punkt bei der technischen Nutzung des dynamischen Vakuums. Die spontane Emission ist keine intrinsische Eigenschaft eines isolierten Atoms, sondern resultiert aus der Wechselwirkung zwischen dem Atom und dem Vakuum.

der Tatsache, dass sich das Verhalten des Vakuums durch seine Geometrie verändern lässt, verdanken wir beispielsweise hoch präzise Laser.

So, ich denke, jetzt habe ich genügend Verwirrung gestiftet. Wir haben die Materie wirklich nur angekratzt. Aber, wenn man viel tiefer hinein geht, benötigt man Mathematik. Dann fängt’s rasch an, weh zu tun…

Ich hoffe natürlich, dass dieses etwas verwirrende Thema, doch auch bei dem ein oder anderen Leser-in, etwas Anklang gefunden hat. Ich meine, für Verblüffung reicht es auf jeden Fall.

Es grüßt euch ganz herzlich bis zum nächsten Mal

Euer Gerhard.

 

Sonnen- und Mondfinsternisse 2018

Liebe Leserinnen und Leser,

 

aus aktuellem Anlass, kann ich mit dem Blog schlecht bis Sonntag warten.

heute Abend, 15.02.2018,  findet zwischen ungefähr 20:00 Uhr und 0:00 Uhr eine partielle Sonnenfinsternis in der Antarktis statt. Die Sonnenscheibe wird während der maximalen Bedeckung zu ungefähr 60 % unter der Mondscheibe verschwinden.

Ihr wundert euch jetzt vielleicht, dass das Ereignis Stunden dauert. Meist wird, zumindest bei einer totalen Finsternis nur die eigentliche Totalität betrachtet. Das sind dann nur wenige Minuten. Das ganze beginnt aber schon viel früher. Von links schiebt sich die Mondscheibe langsam über die Sonne und gibt sie dann nach der Totalen Bedeckung langsam wieder frei.Wie gesagt. Das heute ist keine totale Sofi, sondern nur eine partielle.

Die Forscher auf der Neumayer-III-Station können das beobachten. Immerhin beginnt die Wahrnehmung der Verdunkelung ungefähr bei einer Bedeckung von 50 %.

Vielleicht sehen es auch noch einige wenige Menschen in Chile oder Uruguay. Möglicherweise wundern sich auch noch die Pinguine darüber, Deren Augen sind besser an die gleißende Helle von Sonne, Schnee und Eis adaptiert, so dass sie eventuell ohne Schutzfolie hineinsehen könnten.

Die Sonne geht sogar noch leicht verfinstert unter.

Ansonsten brauchen keine Lehrer Schüler einsperren, oder gar vor giftigen Strahlen schützen, wie das bei der Sonnenfinsternis vom 20.03.2015 leider geschehen ist. Diese war in Norddeutschland zu über 80 % bedeckung sichtbar. Bei uns hier in Süddeutschland immerhin noch zu um 60 %. Ich tat damals meinen Unmut darüber kund, dass Kindern dieses Schauspiel vorenthalten wurde.Es wurde auch auf einem Workshop der Deutschen Astronomischen Gesellschaft, wo ich Mitglied bin, diskutiert.

 

Jetzt aber zurück nach 2018.

Ihr erinnert euch. Der zweite, blaue Supervollmond im Januar, war eine Mondfinsternis, von der wir aber leider nichts hatten, weil es bei uns gerade Mittag war.

Der Vollmond (Ostervollmond am Ostersamstag, 31.03. wird auch ein Blauer Mond sein, aber keine Mofi.

Und das ist noch längst nicht alles. Am Freitag, den 13. Juli werden wir wieder eine partielle Sonnenfinsternis haben. Auch diese wird weitgehend ins Wasser fallen, zwischen Australien und die Antarktis.

Genau an dem Tag, wo ich in Urlaub nach Österreich fahren werde, dem 27.07. werden wir unsere diesjährige Mondfinsternis haben. Die wird gut beobachtbar sein. Darüber schreibe ich aber extra.

Am 11.08. findet eine partielle Sonnenfinsternis über der Arktis und Nordeuropa statt. Wir werden viel davon sehen.

Also für Finsternissüchtige, auch Eclipse Chasers genannt, ist das kein gutes Jahr. Zum einen finden die Sofis dort statt, wo man schlecht bis gar nicht hinkommen kann, und zum anderen sind sie dann für denjenigen, der alle Strapazen und Mühen auf sich nimmt, um zur Stelle zu sein, nicht mal total.

Das bedeutet, man wird keine Korona, keine Perlenschnur, keine Protuberanzen und auch keine Sterne am Tageshimmel sehen.

 

Apropos 11. August und Finsternis. Klingelt es da bei jemandem?

Am 11.08.1999 hatten wir eine in Deutschland gut sichtbare totale Sonnenfinsternis. Die nächste wird erst wieder 2081 zu sehen sein. Zu weit weg für mich. Ich muss Glück haben, wenn ich den Halleyschen Kometen nochmal erleben darf.

Und so viel Werbung muss erlaubt sein:

Schön nachzulesen ist sowohl diese Finsternis vom 11.08.1999, als auch der Halleysche Komet (Giotto-Mission 1986) in “Blind zu den Sternen” von mir.

Mit seinem Buch “Schwarze Sonne, roter Mond” bereitete Prof. Dr. Rudolf Kippenhahn, mittlerweile 92 Jahre alt, uns hervorragend auf dieses Ereignis vor.

 

Dann hoffen wir mal, dass die Seeleute, die sich heute Abend um das Kap Hoorn herum befinden, sich nicht zu sehr mit dem Wetter herumplagen müssen. Die alten Segler, hätten mit dem Ereignis vermutlich etwas abergläubisches verbunden.

Und euch wünsche ich, dass euch der Beitrag gefallen hat.

Es grüßt euch

euer Gerhard.

 

Ein Rätsel für euch!!!

Guten Abend zusammen,

heute schreibe ich mal nicht selbst, sondern ich teile etwas mit euch, was ein bekannter Dichter geschrieben hat. Viel Freude damit wünscht euch euer Gerhard.

 

Rätselgedicht Nr. 287
von Friedrich Schiller
Rätsel

Auf einer großen Weide gehen
Viel tausend Schafe silberweiß:
Wie wir sie heute wandeln sehen,
Sah sie der allerälteste Greis.
Sie altern nie und trinken Leben
Aus einem unerschöpften Born,
Ein Hirt ist ihnen zugegeben
Mit schön gebognem Silberhorn.
Er treibt sie aus zu goldnen Toren,
Er überzählt sie jede Nacht,
Und hat der Lämmer keins verloren,
So oft er auch den Weg vollbracht.
Ein treuer Hund hilft sie ihm leiten.
Ein muntrer Widder geht voran.
Die Herde kannst du sie mir deuten?
Und auch den Hirten zeig mir an.

 

Nichts ist auch was!!!

Liebe Leserinnen und Leser, Freunde und Gönner,

Das Vakuum
Hierzu habe ich einfach mal ein Brainstorming gemacht, was mir zu diesem Thema schon alles so begegnet ist. Erstaunliches tat sich da auf. Für mich begann es vor ungefähr 30 Jahren und das, was ich da fand deckt einen Zeitraum von fast 3000 Jahren ab, denn es geht mit den alten Griechen los.
Aber ganz der Reihe nach.

Grundsätzlich ergibt es viel Sinn, sich mit der Leere zu beschäftigen, da das Universum, da wir im wesentlichen aus leere bestehen. Nichts ist halt auch was.
Beim Stöbern in meinen Unterlagen stieß ich auf einige Artikel über das Vakuum.
Vor allem, dass der Urknall quasi spontan aus einer Vakuumfluktuation entstanden sein soll, ist doch unglaublich.
Aber ganz langsam.

Das Universum besteht zum größten Teil aus Vakuum; die wenigen Materieklümpchen, die in dieser ungeheuren Leere schweben, sind kaum der Rede wert. In den ungeheuren Regionen des Alls zwischen den Galaxien konnten die Astronomen nicht die geringste Materie entdecken. Sie räumen ein, dass es welche geben könnte, die ihrer Aufmerksamkeit entgangen ist, vermuten aber, dass man, suchte man in einem Volumen so groß wie ein Riesenstadion, nicht mehr fände als ein einziges Atom.

In unserer unmittelbaren Umgebung, die mit festen, flüssigen und gasförmigen Körpern angefüllt ist, herrscht kein wesentlich größeres Gedränge. Die Großaufnahme eines Atoms würde zeigen, dass der Kern, der 99,9 Prozent des Atomgewichts ausmacht, im Mittelpunkt schwebt wie eine Schrotkugel, die man in einem Fußballstadion aufgehängt hat. Der Rest ist leerer Raum, abgesehen von ein paar Elektronen, die wie geisterhafte Wolken aus dünnem Dampf durch das Stadion wehen. Unsere Welt und wir sind aus ziemlich immateriellem Stoff gemacht. So gesehen ist es überraschend, wieviel Gedanken und Energie, von Geld ganz zu schweigen, Wissenschaftler in den Versuch investieren, das Geheimnis der Materie zu enträtseln.
Sollten sie sich nicht vielmehr mit der Beschaffenheit des Vakuums beschäftigen, das mit Abstand der Hauptbestandteil des Universums ist?
Sollten sie nicht besser über das Nichts nachdenken?

Einige haben tatsächlich genau dies getan und sind dabei zu verblüffenden Ergebnissen gelangt. Im Vakuum geht es weit lebhafter zu, als es den Anschein hat. Die moderne Physik hat gezeigt, dass das Vakuum nicht nur ein passives Stadium ist, sondern ein aktiver Teilnehmer an den Prozessen der materiellen Welt. So paradox es klingt, das Vakuum steht in Wechselwirkung mit Atomen und ist mittlerweile sogar zu einem funktionalen Teil von High-tech-Geräten, wie zum Beispiel Lasern geworden. Es enthält keine Materie, steckt aber voller Überraschungen.

Im Gegensatz zur Existenz der Materie, die nicht in Frage gestellt werden kann, ist die Existenz des Vakuums seit dem klassischen Altertum ein Gegenstand von Kontroversen gewesen. Ursprünglich war das Vakuum als wesentlicher Teil der Atomtheorie eingeführt worden:
«Der gebräuchlichen Redeweise nach gibt es Farbe, Süßes, Bitteres, in Wahrheit aber nur Atome und Leeres>” erklärte Demokrit.
Das Vakuum des Demokrit war ein hypothetisches Konzept, das erforderlich war, um der Welt, wie wir sie wahrnehmen, Sinn zu verleihen. Wenn Materie wirklich das ungebrochene Kontinuum wäre, das wir wahrzunehmen scheinen, wie könnte dann beispielsweise ein Fisch Raum finden, um vorwärts zu schwimmen? Oder warum scheint ein Tropfen Milch, der sich im Wasser auflöst, im Nichts zu verschwinden?
Beide Rätsel lassen sich überzeugend lösen, wenn es ein Vakuum zwischen Atomen gibt – im ersten Falle, um sich dem Kopfende des Fisches anzupassen, im zweiten, um die Milchteilchen zu verbergen.

Aristoteles verwarf aus einigen Gründen die Idee der Atome und des leeren Raumes.
Dass hier auf Erden leichte Gegenstände langsamer als schwere fallen, schrieb er der Tatsache zu, dass es keinen leeren Raum gäbe, ansonsten müssten in ihm alle Gegenstände gleich schnell fallen. Der hätte Augen gemacht, wenn er 1971 hätte sehen Können, wie ein Astronaut gleichzeitig eine Feder und einen Hammer aus Hüfthöhe auf den Mond fallen ließ. Beide Teile, Hammer und Feder erreichten gemeinsam die Mondoberfläche…

Aristoteles erfüllte das Vakuum mit Äther. Diesen Äther, nicht zu verwechseln mit der stark riechenden chemischen Verbindung gleichen Namens, hielt man für eine dünne, universelle Substanz, die den gesamten Raum und auch alle materiellen Körper durchdringen die sich aber nicht messen lasse. Als Idee hielt sich der Äther bemerkenswert lange und lebte auch dann noch weiter, als der Grund entfallen war, der Aristoteles ursprünglich dazu veranlasst hatte, ihn zu postulieren.

Noch heute senden wir Radiowellen über den Äther. Die Sprache kennt das Wort noch. Die Vorstellung eines Äthers passt auch deutlich besser in das, was wir täglich in unserem Alltag erleben. So braucht Schall ein Medium, sich darin fortzupflanzen. Dann ist es doch eigentlich naheliegend, dass es einen derartigen Stoff, den Äther, auch für das Licht geben sollte.
Nunja. Es gibt ihn nicht.
1887, hoffentlich stimmt die Zahl, führten die beiden Amerikanischen Physiker Michelson und Morley einen Versuch durch, der das Grab des Äthers werden sollte.

Ausgangspunkt ihres Versuches war die Idee, dass wenn es einen Äther gäbe, sollte man in Bewegungsrichtung der Erde durch ihn hindurch eine Art Äther-Wind nachweisen können. Das ist dann vergleichbar mit einem Schiff, das durch das Wasser fährt. Wellen breiten sich gegen die Fahrtrichtung des Schiffes mit weniger Geschwindigkeit aus, als in Fahrtrichtung.
Das sollte mit in den Äther einfallendem Licht nicht anders sein.
Es sollte gegen den Äther-Wind langsamer sein, als mit ihm.
Solch einen Effekt jedoch konnten die beiden Wissenschaftler nicht nachweisen. Das bedeutet, dass sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit von 300.000 km/s durch den Raum, durch das Vakuum bewegt und dass das Vakuum letztlich nicht von einem Äther erfüllt ist.
Licht genügt das Vakuum als Medium es benötigt keinen weiteren Stoff hierzu, wie der Schall die Luft.
Ich erspare uns an dieser Stelle den Versuchsaufbau den Michelson und Morley einsetzten. Ein Irrtum war aber ausgeschlossen und der Versuch ist jederzeit reproduzierbar und liefert stets die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.

Das war wirklich ein Dilemma und stürzte die Physik gewissermaßen in eine Krise.
1905 beendete Albert Einstein dieses Dilemma auf die für ihn typische kompromißlose Art. In der Einleitung zu seinem ersten Artikel über die Spezielle Relativitätstheorie, «Zur Elektrodynamik bewegter Körper», erklärte er die Ätherhypothese schlicht und einfach für «überflüssig». Im Alter von 26jahren vollzog er mit einem mutigen Federstrich den Abschied von einem 2400jahre alten physikalischen Konzept. Den Kritikern, die einwenden mochten, dass Wellen ein Medium brauchen, das sie trägt, erwiderte er sinngemäß: «Das mag für manche Wellen gelten, aber bei Licht ist es nun einmal nicht der Fall.»

Das somit bereinigte Vakuum blieb ein Vierteljahrhundert hindurch leer, begann sich dann aber wieder aufzufüllen. Diesmal waren weder die Materie noch der Äther daran schuld, sondern Folgerungen der Quantentheorie.

Was das ist, und was sie mit dem Vakuum zu tun hat, wird Teil der nächsten Folge dieser kleinen physikalischen Unterhaltung werden.