Die faszinierende Welt der Quanten

Größenordnungen darunter.
    Lässt sich diese Berechnung wegdiskutieren? Mit den heutigen Möglichkeiten der Quantenphysik nicht. Die Forscher hoffen, den berechneten Wert der Vakuumenergie in Zukunft irgendwie renormalisieren zu können, um ihn mit der Realität unter einen Hut zu bekommen. Doch dass Quanten-Fluktuationen existieren, dafür sprechen auch andere Beobachtungen.
Warum Schwarze Löcher verdampfen
    Stephen Hawking nutzt zum Beispiel die Vakuum-Energie, um das Verhalten Schwarzer Löcher zu erklären. Diese besitzen einen so genannten Ereignis-Horizont, der sich wie eine Kugelschale um das Objekt erstreckt. Alles, was dahinter passiert oder in diesen Radius gelangt, ist dem normalen Weltall für immer entzogen: Die riesige Gravitationskraft des Schwarzen Lochs lässt nichts mehr entweichen. Deshalb müssten diese Objekte eigentlich enorm stabil sein und nur einen Trend kennen: zu wachsen.
    Hawking nutzt nun Quanten-Fluktuationen, um eine Art Verdampfungs-Prozess für Schwarze Löcher zu postulieren. Falls nämlich ein Teilchen-Antiteilchen-Paar in der Nähe des Ereignishorizonts entsteht, kann es passieren, dass einer der Partner in das Schwarze Loch gezogen wird, während der andere gerade noch entweicht. Aus dem virtuellen Teilchen wird ein reales Teilchen. Die Energie, die dafür nötig ist, geht dem Schwarzen Loch verloren, so dass es mit der Zeit Masse verliert und schrumpft. Das geht nach Hawking umso schneller, je kleiner das Schwarze Loch ist. Die so genannte Hawking-Strahlung konnte bisher allerdings noch nicht nachgewiesen werden. Das liegt unter anderem daran, dass sie relativ schwach ist. Vor allem aber ist sie umso größer, je kleiner das Schwarze Loch ist. Schwarze Mini-Löcher zu beobachten, ist den Astronomen bisher jedoch nicht gelungen.

    Bild 36: Ein Schwarzes Loch ernährt sich an seiner Umgebung – was einmal hinter seinen Ereignishorizont gerät, kehrt nicht zurück (künstlerische Darstellung)
Der Casimir-Effekt
    Dass die Vakuum-Energie tatsächlich existiert, zeigt der experimentell schon 1958 erstmals bestätigte Casimir-Effekt. Vorhergesagt hat ihn der niederländische Physiker Hendrik Casimir 1948. Aus der Quantentheorie ergibt sich demnach, dass auf zwei parallele, elektrisch leitende Platten im Vakuum eine Kraft wirkt, die diese zusammendrückt. Die beiden Platten müssen dafür sehr eng zusammenstehen – damit der Effekt messbar ist, sollten es einige Nanometer sein. Die Kraft entsteht, weil im Zwischenraum nur bestimmte virtuelle Teilchen entstehen können, deren Wellenlänge zum Abstand der Platten passt – der Abstand muss ein ganzzahliges Vielfaches der Teilchen-Wellenlänge betragen. Außerhalb der Platten jedoch fehlt diese Einschränkung. So entsteht eine Druckdifferenz der virtuellen Teilchen zwischen innen und außen, die die Platten zusammenschiebt. Bei 11 Nanometern Abstand liegt der Druck immerhin bei 100 Kilopascal.
    Der russische Physiker Jewgeni Lifschitz hat Casimirs Berechnungen schon in den 50-er Jahren auf allgemeinere Fälle erweitert. Er konnte auch zeigen, dass die Casimir-Kraft nicht nur anziehend, sondern auch abstoßend sein kann. Das hängt vor allem von den Eigenschaften des Materials ab. Diese Vorhersage wurde 2009 experimentell verifiziert. Sie könnte sich, hoffen Forscher, nutzen lassen, um Objekte reibungslos schweben zu lassen.

    Bild 37: Erklärung des Casimir-Effekts
Raumschiffe mit Vakuum-Antrieb?
    Eine Erweiterung des Konzepts stellt der dynamische Casimir-Effekt dar. Bewegt man die beiden Platten des klassischen Casimir-Effekts sehr, sehr schnell gegeneinander, sollte es gelingen, reale Photonen zu erzeugen. Ob das wirklich funktioniert, ist bisher nicht klar. Immerhin hat die NASA in dem (inzwischen ausgelaufenen) Programm „Breakthrough Propulsion Physics Project“ den dynamischen Casimir-Effekt auf seine Eignung als Antrieb für ein Raumschiff untersucht. Durch den Rückstoß der erzeugten Photonen könnte sich dieses durchs All treiben lassen.
    Der Effekt scheint jedoch dafür deutlich zu klein zu sein. Der Physiker Steve Lamoreaux, der den Casimir-Effekt ausführlich untersucht und dazu publiziert hat, zerstört sämtliche Hoffnungen – selbst wer Benzin verbrennt, erhält eine bessere Energieausbeute als durch Nutzung des Casimir-Effekts. Dieser habe seine praktische Bedeutung wohl eher darin, chemische Verbindungen überhaupt erst zu ermöglichen, so Lamoreaux.
    Ebenso Humbug sind übrigens die Behauptungen mancher