Unter einem Vakuum wird meistens ein räumlicher Bereich verstanden, dessen Druck wesentlich kleiner ist als der übliche Luftdruck; manchmal ist damit sogar ein absolut leerer Raum gemeint. Um ein vollständiges Vakuum zu erhalten, müssen Sie demnach alle Atome und Moleküle aus einem Behälter entfernen. Dann enthält er allerdings noch elektromagnetische Wellen wie Radiowellen, Licht und Wärmestrahlung. Wenn Sie die abschirmen, bleibt noch die Wärmestrahlung übrig, die die Behälterwände aussenden. Um sie zu unterbinden müssen Sie den Behälter abkühlen auf den absoluten Nullpunkt der Temperatur, etwas unterhalb von -273 °C. Falls Sie das schaffen - obwohl es praktisch nicht möglich ist -, haben Sie einen Behälter, in dem nichts ist (oder in dem Nichts ist?) - könnte man meinen. Nach den gängigen physikalischen Vorstellungen ist das nicht der Fall, und das kam so ...
Seit der Physiker Max Planck (1858 - 1947) um die Wende zum 20. Jahrhundert die Eigenschaften des so genannten Schwarzen Strahlers oder Schwarzen Körpers in ein mathematisches Modell fasste, begegnet den Forschern immer wieder die Energie des Vakuums. Ein Schwarzen Strahler ist ein idealisierter Temperaturstrahler im Wärmegleichgewicht mit seiner Umgebung. Er absorbiert auftreffende elektromagnetische Strahlung aller Frequenzen wie Licht und Wärmestrahlung vollständig. Gleichzeitig sendet er selbst Strahlung aus, die nur von seiner Temperatur abhängt. Experimentell lässt sich ein Schwarzer Strahler durch einen innen geschwärzten Hohlraum mit kleiner Öffnung realisieren. (Ein kleines Loch in einem geschlossenen Schuhkarton sieht selbst in grellem Licht schwarz aus aufgrund der vielfachen Reflexionionen im Innern.) Die Energie in so einem Hohlraum setzt sich aus den elektromagnetischen Wellen aller Frequenzen zusammen. Jeder Frequenz lässt sich somit ein gewisser Anteil an der Gesamtenergie zuordnen. Seine Überlegungen führten Planck zu einer Gleichung der mittleren Energie E, die bei einer bestimmten Temperatur T des Strahlers zu den jeweiligen Frequenzen ν gehört:
E = hν/(ehν/kT-1) + hν/2.
Hierbei ist k die Boltzmann-Konstante der Wärmelehre und h das so genannte Planck′sche Wirkungsquantum, ebenfalls eine Konstante, die die Proportionalität zwischen Energie und Frequenz ausdrückt. Interessant ist, das die Energie selbst bei der Temperatur T=0 nicht verschwindet, es bleibt der Term hν/2. Man kann sie als Nullpunktenergie bezeichnen. Allerdings ging Planck davon aus, dass sie keine experimentellen Auswirkungen hat, da nur Energiedifferenzen in der Praxis wesentlich sind (soweit man die allgemeine Relativitätstheorie nicht berücksichtigt, die es damals noch nicht gab). Andere Physiker wie Albert Einstein (1879 - 1955), Otto Stern (1888 - 1969) und Walther Nernst (1864 - 1941) bauten die Idee der Nullpunktenergie in eigene Überlegungen zur Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie ein. Sie nahmen das Konzept der Nullpunktenergie durchaus ernst.
Als die Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts Formen annahmen, verschwand die Nullpunktenergie der klassischen Physik in der Versenkung - und tauchte in Form des elektromagnetischen Quantenvakuums wieder auf.
Die Quantenelektrodynamik beschreibt elektromagnetische Felder so, dass sie aus Photonen bestehen. Sie beschreibt zudem die Wechselwirkungen dieser Photonen mit elektrisch geladenen Teilchen oder allgemeiner mit Materie. Photonen sind kleine Energiepakete, deren Energie E proportional zu ihrer Frequenz ν ist: E=hν, mit dem Planck′schen Wirkungsquantum h. Auch Licht ist ein elektromagnetisches Feld, dass aus Photonen besteht. Ein Photon ist außerdem durch seine Richtung und Polarisation charakterisiert. Zusammen definieren diese Eigenschaften den Zustand eines Photons. Nach dem mathematischen Modell der Quantenelektrodynamik müssen alle möglichen Zustände im zeitlichen Durchschnitt mit einem halben Photon besetzt sein. Der Energiegehalt dieses universellen Strahlungsfeldes ist daher unvorstellbar hoch.
Casimir-Effekt. Zwei parallele Metallplatten (grün) in winzigem Abstand d ziehen sich im Vakuum gegenseitig an. Die Kraft ist proportional zu d-4 und hat ihre Ursache im Strahlungsfeld des Vakuums. Zwischen den Platten können elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen λ > 2d nicht existieren; der äußere Strahlungsdruck überwiegt. Die blauen Wellen sind Beispiele für Wellen, die innen und außen existieren können. Die roten sind Beispiele für Wellen, die nur außen möglich sind. Bei einem Abstand von 0,5 Mikrometer wirkt auf jeden Quadratzentimeter der Platten eine Kraft von etwa 2x10-6 Newton. Das entspricht der Gewichtskraft einer Masse von etwa 0,2 Milligramm.
Casimir, Hendrik Brugt Gerhard, 1909 - 2000, Physiker, geboren in Den Haag (Niederlande). Er sagte 1948 den nach ihm benannten Effekt vorraus, der bereits 1957 und 1958 experimentell nachgewiesen wurde.
Seit Ende der 1960er Jahre wird von einigen Forschern ein Ansatz alternativ zur Quantentheorie untersucht: klassische Physik + klassische Nullpunktenergie (klassisch = ohne Quantentheorie). Hierbei wird die klassische Elektrodynamik durch ein klassisches elektromagnetisches Nullpunktfeld der Energie hν/2 pro Schwingungszustand ergänzt. Dies ist die so genannte stochastische Elektrodynamik.
Ein wichtiges Ergebnis der stochastischen Elektrodynamik ist, das mindestens einige Quantenphänomene durch sie klassisch erklärt werden können. Ihre Ansatzpunkte zum Verständnis der Natur werden weiterhin intensiv untersucht. Bisher konnte sie unter anderem ganz oder teilweise folgende Phänomene erklären:
1. Quantenmechanik als klassische Physik in Gegenwart des Nullpunktfeldes, spontane Emission stimuliert durch Nullpunktfeld, stabiler Grundzustand des Wasserstoffatoms, Welleneigenschaft der Teilchen
2. absoluter Bezugsrahmen für Beschleunigungen
3. elektromagnetische Strahlung beschleunigter Ladungen als Streuung der Nullpunktstrahlung
4. Massenträgheit als Lorentz-Kraft zwischen Teilchen (Quarks, Leptonen) und Vakuumfeld
5. Gravitation analog zur van-der-Waals-Kraft: sekundäres Kraftfeld zwischen zum Schwingen angeregter Teilchen
6. Struktur des Universums im Großen: Leerräume (Cosmic Voids) durch Druck der Nullpunktstrahlung
Wenn es gelingt, die Nullpunktenergie zielgerichtet zu beeinflussen (Musterbeispiel Casimir-Effekt), eröffnet sich eine unerschöpfliche Energiequelle und die Möglichkeit, Massenträgheit und Gravitation zu beeinflussen. Anwendungen fänden sich nicht zuletzt in einer Raumfahrt, die diesen Namen verdient.
Links
The California Institute for Physics and Astrophysics (CIPA)
mit umfangreichen (populär)wissenschaftlichen Artikeln zur Forschung im Bereich der Vakuumenergie
http://www.calphysics.org/research.html
Literaturhinweise
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