Vakuum: Ist es möglich, etwas aus dem Nichts zu erschaffen?

Vakuumkammer für astronomische Simulationen (Bildquelle: NASA)

Zunächst eine Bombe: Als die Highschool-Lehrerin sagte, dass nichts in einem luftleeren Raum existiert, vereinfachte sie diese Informationen aus pädagogischen Gründen. Für Unterrichtsinhalte ist diese Aussage in der Regel mehr als ausreichend. Aber die Wahrheit ist, dass wie in vielen anderen Studienfächern auch in diesem Fach Geheimnisse verborgen sind, die in fortgeschrittenen Themen der Disziplin erlernt wurden. Ein Beweis dafür sind die Experimente, über die in dem Artikel „Vacuum Packed“ berichtet wurde, der in der Zeitschrift New Scientist vom 18. Februar 2012 veröffentlicht wurde.

Obwohl es im Vakuum keine Materie gibt, berücksichtigt die Quantenphysik die Tatsache, dass diese Regionen eine minimale Energiemenge sowie elektromagnetische und Gravitationsfelder enthalten. Daher kann das Vakuum nicht als vollständig leer betrachtet werden.

Darüber hinaus sind in diesen Räumen Partikel und Antiteilchen vorhanden, die sich ständig bilden und zerstören. Diese seltsamen "kleinen Kreaturen" des Quantenzoos - bekannt als virtuelle Teilchen (oder Antiteilchen) - können nicht einzeln entdeckt werden. Sie sind jedoch in der Lage, messbare Reaktionen wie den Casimir-Effekt hervorzurufen. Dieser Partikelflasher ist als Quantenvakuumfluktuation bekannt.

Den Casimir-Effekt verstehen

Auf die Metallplatten des Casimir-Effekts einwirkende Vakuumwellen (Bildquelle: Wikimedia Commons)

Der niederländische Physiker Hendrik Casimir versuchte 1948 zu verstehen, wie Kolloide existieren, also wie man ein Gemisch, in dem eine Substanz in einer anderen dispergiert ist, wie beispielsweise Fettkügelchen in der wässrigen Milchlösung, aufbewahrt. Die Kräfte zwischen Molekülen in einem solchen Medium nehmen mit zunehmender Entfernung schneller ab als herkömmliche Berechnungen, die auf der Stärke von van der Walls beruhen.

Um eine adäquate Lösung des Problems zu finden, folgte Casimir dem Rat eines Physikers, dessen Arbeiten für die Schaffung der Quantenphysik von grundlegender Bedeutung waren, Niels Bohr: die Wirkung des Vakuums zwischen den Molekülen der Mischung zu betrachten. Offensichtlich wäre es unmöglich, die Energiefluktuation in der komplexen Molekülstruktur eines Kolloids zu berechnen. Also schlug Casimir ein einfacheres Modell vor: zwei perfekt ausgerichtete Metallplatten, die im Vakuum schwebten.

Da das Vakuum voller energiereicher Wellenfelder ist, ist die Erfüllung dieser Wellen zwischen den beiden Platten stärker eingeschränkt, so dass weniger Partikel in diesem Raum austreten. Infolgedessen ist die Energiedichte zwischen den beiden Platten geringer als im offenen Raum, wodurch eine Druckdifferenz entsteht, die eine Platte gegen eine andere drückt.

Quantenfluktuation im Casimir-Effekt sichtbar gemacht (Bildquelle: Wikimedia Commons)

Diese Kraft ist jedoch sehr gering: Zwei separate 10-Nanometer-Platten spüren eine Kraft, die mit dem Gewicht der Atmosphäre über unseren Köpfen vergleichbar ist. Daher ist es sehr kompliziert, das Vorhandensein dieser Kraft zu beweisen, da sie durch viel größere Kräfte, die auf dasselbe Gemisch wirken, verändert werden kann.

Erst 1996 gelang es Steven Lamoreaux, einem Physiker an der Universität von Washington in den Vereinigten Staaten, alle anderen Auswirkungen, die auf das Experiment einwirken könnten, sorgfältig zu isolieren und so eine winzige Restkraft zu finden, die auf a einwirkt Metallplatte und eine sphärische Linse, die gegeneinander drücken. Somit schien es bewiesen zu sein, dass die Wirkung des Vakuums real war.

Aus diesem Grund begannen andere sehr faszinierende Experimente, unser Konzept des Nichts zu ändern. Lamoreaux und sein Team bestätigten zum Beispiel auch, dass die Quantenvakuumschwankungen mit steigender Temperatur zunahmen. Aber es sollten noch faszinierendere Taten folgen.

Und lass das Licht gemacht werden!

Künstlerische Darstellung des Experiments, bei dem Photonen aus dem Vakuum erzeugt wurden (Bildquelle: Physorg)

Im November 2011 beschlossen Wissenschaftler der Chalmers University of Technology in Schweden, die Ideen des Casimir-Effekts umgekehrt anzuwenden, wie es der amerikanische Physiker General Moore 1970 vorschlug: Wenn wir zwei Spiegel schnell bewegen könnten, gegenseitig die Fluktuation Das in dem Raum zwischen ihnen vorhandene Quantenmaterial könnte so heftig zerkleinert werden, dass seine Energie in Form von Photonen freigesetzt würde. Die Theorie wurde als dynamischer Casimir-Effekt bekannt.

In der Praxis konnte sogar ein sehr kleiner Spiegel nicht so schnell bewegt werden, weshalb der Physiker Chris Wilson und sein Team einige Änderungen an Moores Ideen vorschlugen, um sie in die Praxis umzusetzen: Sie verwendeten schnell variierende elektrische Ströme, um den Effekt zu simulieren. Spiegel, die auf etwa ¼ der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden konnten. Das Ergebnis war wie erwartet: Erzeugung von Photonenpaaren, die aus dem Vakuum austraten und als Mikrowellenstrahlung gemessen werden konnten.

Neben der Existenz des Casimir-Effekts wurde das damalige Experiment auch von anderen Physikern widerlegt, die nicht glauben, dass das Experiment tatsächlich Moores Ideen simuliert. Wilson verteidigt sich damit, dass das Experiment mit allen notwendigen Vorkehrungen und Tests durchgeführt wurde, einschließlich des Beweises, dass sie sogar aus einem Vakuum heraus begannen. In einem Interview mit der Zeitschrift New nutzte er die Situation und stellte seine Konkurrenten fest: "Für einige Leute wird der dynamische Casimir-Effekt immer auf einem sich schnell bewegenden echten Spiegel liegen."

Genau wie der Casimir-Effekt, aber anders als

Umkehrung des Casimir-Effekts könnte reibungslose Zahnräder ermöglichen (Bildquelle: EETimes)

Ein weiteres merkwürdiges Experiment wurde von Steven Johnson und seinen Kollegen am Massachusetts Institute of Technology (MIT) durchgeführt. Sie errechneten, dass der Casimir-Effekt invertiert werden könnte, das heißt, anstatt als eine Art Klebstoff für zwei nanoskalige Objekte zu fungieren, könnte er verwendet werden, um einen Gegendruck auszuüben, das heißt, um ein Objekt vom anderen wegzudrücken.

Zu diesem Zweck veränderten die Physiker die Form der Metallplatten und fügten Strukturen hinzu, die den Zähnen eines Reißverschlusses ähneln. Dies würde theoretisch die Kraft zwischen ihnen abstoßend machen. In einer neueren Studie, die an der Universität von Coimbra, Portugal, durchgeführt wurde, haben die Forscher Stanislav Maslovski und Mário Silveirinha einen ähnlichen Effekt theoretisiert, indem sie metallische „Nanobods“ verwendeten, die eine Abstoßungskraft erzeugten, die Metallnanobars schweben lässt.

In der Praxis könnte dieser Effekt beispielsweise zur Schaffung von Getrieben und Motoren im Nanomaßstab führen, die reibungslos zwischen den Teilen arbeiten können. Um dies in die Praxis umzusetzen, müssten jedoch neue Werkzeuge entwickelt werden, mit denen diese Nanoteile so ausgerichtet werden können, dass das Vakuum zwischen ihren Atomen nicht dazu führt, dass Quantenfluktuationen in verschiedene Richtungen wirken.

Vakuum und wissenschaftliche Skepsis

(Bildquelle: iStock)

Daraus lässt sich schließen, dass die in den letzten Jahren durchgeführten Experimente den Theorien von vor Jahrzehnten mehr Glauben geschenkt haben und zeigen, dass sowohl Quantenschwankungen als auch der Casimir-Effekt real sind. Trotzdem haben nicht alle Physiker diese Idee gekauft.

Viele Forscher gegen den Casimir-Effekt oder die Quantenvakuumfluktuation behaupten, dass diese Themen populär geworden sind, weil die Mathematik dahinter so einfach ist. Für Julian Schwinger, der 1965 den Nobelpreis für Physik erhielt, sind diese Effekte auf die Quantenwechselwirkung zwischen Materieladungen zurückzuführen, nicht auf das Vakuum selbst.

Es kann auch sein, dass der Beweis dieser Phänomene eine Art Paradoxon ist: Wir können die Existenz von Vakuumenergie nur beweisen, indem wir Materie hinzufügen, und wir riskieren, die Experimente falsch darzustellen. Unterdessen hofft Chris Wilson, der Licht aus dem Nichts geschaffen hat, dass andere Forschungsgruppen die Daten, die sein Team findet, untermauern und die Möglichkeit, dass bestimmte Phänomene tatsächlich real sind, ein wenig unterstützen können.

So ärgerlich das Beweisverfahren auch ist, es ist diese latente Skepsis, die die Wissenschaft so verlässlich macht. Am Ende ist dies sogar gut, da es in Zukunft interessantere Experimente wie diese geben kann.