Hawkings neues Universum

gebildet. Diese sind, wie die Elektronen, höchstens 10 –18 Meter groß – genauer können Physiker nicht „hinsehen“ –, vielleicht sogar Punktteilchen. Trotz dieser scheinbar substanziellen Leere im Atom wabern Energiefelder auf kleinsten Skalen – die Photonen als Vermittler der elektromagnetischen Strahlung zwischen den geladenen Teilchen und die Felder der schwachen und starken Kernkraft innerhalb des Atomkerns. An der elektromagnetischen Abstoßung der Elektronenhüllen zwischen den einzelnen Körpern liegt es auch, dass die Materie recht undurchdringlich erscheint – schließlich kann auch ein Physiker nicht einfach mit dem Kopf durch die Wand. (Innerhalb eines Körpers überlappen sich die Hüllen hingegen und halten den Körper zusammen.) Im Gas ist dies anders: Die Atome der Zimmerluft etwa nehmen nur ein Zwanzigstel des Volumens ein. Deshalb kann man beispielsweise mühelos die Seite dieses Buchs umblättern oder das Buch durch den Raum werfen, auch wenn der Luftwiderstand dabei messbar ist. Und im Vergleich zu den Weltraumbedingungen ist die Zahl der Atome in jedem Kubikzentimeter Erdatmosphäre extrem hoch.
Kein Nichts, nirgends
    Im Universum scheint es absolut keinen Ort zu geben, selbst nicht im intergalaktischen Raum zwischen den Galaxienhaufen, an dem gar nichts ist. Doch im Gedankenexperiment können Physiker der Leere noch näher kommen und einen materie- und strahlungsfreien Raum beim absoluten Nullpunkt der Temperatur erforschen. Den Naturgesetzen zufolge ist selbst er nicht vollkommen leer. In der Natur scheint tatsächlich ein „horror vacui“ zu herrschen.
    Schon 1948 haben der niederländische Physiker und spätere Nobelpreisträger Hendrik Casimir und Dik Polder, die beide am Philips Laboratorium in Eindhoven arbeiteten, die Existenz der sogenannten Nullpunktstrahlung vorausgesagt, die mittlerweile experimentell bestätigt ist. Die beiden Forscher erkannten, dass selbst ein „perfektes“ Vakuum von unvermeidlich vorhandenen winzigen Quantenfluktuationen erfüllt ist. Das folgt aus der Heisenbergschen Unschärferelation von Energie und Zeit. Virtuelle Photonen und Teilchen-Antiteilchen-Paare durchwabern ständig den Raum. Sie tauchen plötzlich auf und verschwinden sofort wieder, ohne sich jemals einfangen zu lassen – eine spontane Paar-Entstehung und -Vernichtung. Physiker bezeichnen sie als „virtuell“ im Gegensatz zu den „realen“ Partikeln, die sich direkt nachweisen und manipulieren lassen. „Was auf den ersten Blick wie totale Leere erscheinen mag, ist in Wahrheit ein Bienenstock fluktuierender Geister, die in einem nicht vorhersagbaren ausgelassenen Reigen auftauchen und verschwinden“, beschreibt es der britische Physiker Paul Davies von der Arizona State University in Tempe.
    Das ist keine waghalsige Spekulation, sondern experimentell nachgewiesen. So stoßen virtuelle Photonen beispielsweise Elektronen auf atomaren Kreisbahnen an, was kleine, aber messbare Unterschiede der jeweiligen Energieniveaus hervorruft. Diese als Lamb-Shift bekannte Energieverschiebung in atomaren Spektren wurde 1947 von dem amerikanischen Physiker Willis Eugene Lamb (Nobelpreis 1955) und seinem Doktoranden Robert C. Retherford beim Wasserstoff entdeckt und lässt sich nur quantenphysikalisch erklären.
    Die Nullpunktstrahlung macht sich auch in Form des sogenannten Casimir-Effekts bemerkbar: Wenn zwei für elektromagnetische Strahlung undurchlässige Platten im Vakuum parallel ausgerichtet werden, so dass zwischen ihnen nur ein Bruchteil eines Millimeters Abstand bleibt, dann erfahren sie eine schwache elektromagnetische Kraft, die eine geringfügige Anziehung der Platten bewirkt. Der Effekt ist winzig: Bei zwei parallelen, vollkommen reflektierenden Flächen von einem Quadratmeter Größe in einer Distanz von einem Hundertstel Millimeter entspricht die Anziehungskraft gerade einmal der eines Teilchens mit einem Millionstel Gramm Masse. Dieser extrem schwache Effekt ist nichtsdestotrotz messbar. Die bislang beste Bestätigung von Casimirs Vorhersage – mit einer Genauigkeit von plus/minus 15 Prozent – gelang Gianni Carugno, Roberto Onofrio und ihren Kollegen von der Universität Padua im Jahr 2002 bei einem Plattenabstand von 0,5 bis 3 Tausendstel Millimeter.
    Der Casimir-Effekt: Selbst der materie- und strahlungsfreie Raum enthält nicht „nichts“, sondern ist von fluktuierenden elektromagnetischen und anderen Quantenfeldern erfüllt. Das zeigt ein nach dem