P 91 Energieerhaltung und Vakuumfluktuationen

 15.6 Vakuumfluktuationen

 

Die Unbestimmtheitsbeziehung zwischen Energie und Zeit kann man auch so lesen:

Für den Zeitraum Δt  kann die Energieerhaltung um ΔE verletzt werden, so lange das Produkt

ΔE * Δt ≧ h ist.

In unserem Kosmos kann also die Energie ΔE auftauchen und wieder verschwinden...so lange die obige Gleichung erfüllt ist.

Rechnen wir das mal nach:

Für wie lange kann die Energie 5 eV unter Verletzung der Energieerhaltung existieren?

Mit ΔE * Δt = h erhält man: Δt= 0,8 fs  (Femtosekunden, Billiardstel Sekunden)

Solche Zeiträume sind heute experimentell erfassbar.

Für 0,8 fs können also Photonen auftauchen und wieder verschwinden,  in beliebiger Zahl...

Das nennt man Vakuumfluktuation. Die Photonen nennt man virtuell. Damit will man erinnern, dass sie die Energieerhaltung verletzen.

Aber auch das Auftauchen von Elektronen, Protonen, Bowlingkugeln, Kartoffelklößen...alles ist möglich...aber  je größer die Masse, desto schneller ist es wieder weg...und desto unwahrscheinlicher ist das Auftauchen.

Und wenn Materie auftaucht, muss gleichzeitig auch das entsprechende Antimaterieobjekt auftauchen.

Das ist ein vollkommen neues Bild des Vakuums:

Wenn man alles abpumpt, jedes Gasatom, jede Strahlung abschirmt...ist da immer noch etwas, eine wabbelnde, flukturierende Substanz aus Objekten, die unter Verletzung des Energieerhaltungssatzes existieren.

DAS ist der Raum, das ist die Substanz des Raumes...

Visualisierung von etwas, was nicht zu visualisieren ist   NASA

 Das ist das, von dem wir die Wirkung  als elektrische und magnetische Feldkonstanten kennengelernt haben.

Die Idee der Vakuumfluktuationen ist über 90 Jahre alt, sie geht auf Feynman, Schwinger und Tomonaga zurück. Sie spielt in der mit dem Nobelpreis bedachten Quantenfeldtheorie eine wichtige Rolle.

Wir werden sie noch einmal kennenlernen, wenn wir elektrische Kräfte mit der Quantenmechanik erklären wollen.

Allgemein gilt der Casimir-Effekt als experimentelle Bestätigung der Vakuumfluktuationen:

 

wikipedia common

Auch virtuelle Photonen muss man durch Wellen beschreiben.

Grenzt man im Vakuum mit zwei Metallplatten einen Bereich ab, so können innerhalb dieses Bereiches weniger verschiedene Wellenlängen auftauchen. Die Menge der Vakuumfluktuationen ist dort also kleiner als außerhalb, weil einfach weniger Wellenformen "dazwischen passen"! Es entsteht ein Druck der äußeren Vakuumfluktuationen, der eine Kraft in der Größe von mN auf die Metallplatten ausübt.

 

Casimir (1909-2000)

 Hendrik Casimir hat 1948 diese Kraft vorhergesagt. Die experimentelle   Bestätigung erfolgte 1956.

 Heute muss man die Auswirkungen dieser Kraft bei der Konstruktion von Nanomaschinen berücksichtigen.

 

 

 

 In der Kosmologie vermutet man, dass diese Vakuumfluktuationen  die Dunkle Energie darstellen. Leider passen die Energien nicht...die Abweichung liegt bei einem Faktor von 10^120  (ihr habt richtig gelesen: 10 hoch 120). Also, irgend etwas stimmt da noch nicht...