Ein Universum aus Nichts

relativistische Theorie verfügbar war, war diese Vermutung nicht zu erhärten. Zum Glück konnte Diracs Gleichung die Vorhersagen im Vergleich zu Schrödingers Gleichung verbessern, und sie bildete die allgemeine Struktur der Beobachtungen einschließlich der Feinstruktur ab.
    So weit, so gut. Im April 1947 führten der amerikanische Experimentalphysiker Willis Lamb und sein Student Richard Retherford jedoch einen Versuch durch, der unter anderen Umständen vielleicht den Anschein erweckt hätte, unglaublich schlecht begründet zu sein. Sie erkannten, dass sie technisch imstande waren, die Struktur der Energieebenen von Wasserstoffatomen mit einer Genauigkeit von eins zu 100 Millionen zu messen.
    Warum nahmen sie die Mühe auf sich? Nun, wann immer Experimentatoren eine neue Methode finden, mit der sie etwas erheblich genauer messen können als zuvor, ist das häufig ein hinreichender Grund, das eingehender zu untersuchen. Dabei werden oft ganz neue Welten aufgedeckt – wie zum Beispiel, als der holländische Wissenschaftler Antoni van Leeuwenhoek 1676 als Erster mit einem Mikroskop auf einen Wassertropfen schaute und entdeckte, dass es darin von Leben wimmelte. In unserem Fall hatten die Forscher jedoch ein Motiv, das viel näher lag. Bis zu Lambs Experiment war es mit der experimentell verfügbaren Präzision nicht möglich gewesen, Diracs Vorhersage detailliert zu überprüfen.
    Die Gleichung Diracs konnte die allgemeine Struktur der neuen Beobachtungen zwar wiedergeben, doch Lamb war an der entscheidenden Frage interessiert, ob sie das in allen Einzelheiten konnte. Allein damit war die Theorie wirklich zu überprüfen. Und als Lamb die Theorie prüfte, schien sich die falsche Antwort zu ergeben – sie lag auf einer Ebene von ungefähr 100 zu einer Milliarde, was die Empfindlichkeit seiner Geräte weit überstieg.
    Eine derart geringfügige Abweichung mag einem als Kleinigkeit vorkommen, doch die Vorhersagen der einfachsten Interpretationen von Diracs Theorie waren ebenso eindeutig wie die Ergebnisse des Experiments, und sie wichen voneinander ab.
    In den folgenden Jahren stürzten sich die besten theoretischen Köpfe in die Schlacht und versuchten, diese Diskrepanz aufzulösen. Die Antwort stellte sich nach erheblichem Arbeitsaufwand ein, und als der Staub sich gelegt hatte, erkannte man, dass die Gleichung Diracs eigentlich genau das richtige Ergebnis liefert, allerdings nur, wenn man die Effekte virtueller Teilchen einbezieht. Bildlich lässt sich das folgendermaßen verdeutlichen: In Chemielehrbüchern werden Wasserstoffatome in dieser Art wiedergegeben, mit einem Proton im Zentrum und einem Elektron, das um den Kern kreist und zwischen verschiedenen Niveaus hin und her springen kann.

    Lassen wir hingegen die Möglichkeit zu, dass Paare aus Elektron und Positron für einen Augenblick spontan aus nichts hervorgehen können, ehe sie einander wieder vernichten, sieht das Wasserstoffatom in Wahrheit so aus:

    In diese Abbildung habe ich ein solches Paar eingezeichnet, das sich oben vernichtet. Das negativ geladene virtuelle Elektron zieht es vor, sich näher am Proton aufzuhalten, während das Positron lieber größeren Abstand hält. Jedenfalls wird aus diesem Bild deutlich, dass die tatsächliche Ladungsverteilung in einem Wasserstoffatom in keinem Augenblick einfach durch ein einzelnes Elektron und ein einzelnes Proton darzustellen ist.
    Bemerkenswerterweise haben wir Physiker nach all der harten Arbeit Feynmans und anderer gelernt, dass wir mithilfe von Diracs Gleichung mit beliebiger Genauigkeit berechnen können, wie all die virtuellen Teilchen, die zeitweilig in der Nachbarschaft des Wasserstoffs vorhanden sein mögen, sich auf dessen Spektrum auswirken. Und wenn wir es berechnen, erhalten wir die beste und präziseste Vorhersage der gesamten Naturwissenschaft . Dagegen verblassen alle anderen wissenschaftlichen Vorhersagen. In der Astronomie ist es bei den jüngsten Beobachtungen der Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung möglich, sie mit theoretischen Vorhersagen auf dem Niveau von vielleicht eins zu 100000 zu vergleichen, was schon bemerkenswert ist. Verwenden wir hingegen Diracs Gleichung und die vorhergesagte Existenz virtueller Teilchen, so können wir den Wert atomarer Parameter berechnen und erhalten eine bemerkenswerte Übereinstimmung in der Größenordnung von etwa eins zu einer Milliarde oder besser!
    Virtuelle Teilchen gibt es also.
    Auch wenn es schwer ist, der in der Atomphysik