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.

 

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