Vakuumfluktuation

Pionier der Vakuumfluktuation Shin’ichirō Tomonaga (1965)

Vakuumfluktuation bzw. Quantenfluktuation, Vakuumpolarisation und virtuelles Teilchen sind Begriffe aus der Quantenfeldtheorie. Ursprünglich bezeichneten sie in dieser Theorie lediglich bestimmte mathematische Ausdrücke, die in den Summanden einer Reihe auftauchen, wenn eine Energie oder eine Übergangsamplitude mit den Mitteln der quantenmechanischen Störungstheorie berechnet wird. Zwecks besserer Veranschaulichung beschreibt man diese Ausdrücke so, als ob die darin vorkommenden Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren und weitere Faktoren für wirklich in der Zeit ablaufende Prozesse stünden. Gelegentlich wird diese Sprechweise aus der quantenmechanischen Energie-Zeit-Unschärferelation heraus begründet in dem Sinne, dass sie für unbeobachtbar kurze Zeit erlaubt seien. Zu beachten ist, dass mit Vakuum in diesem Zusammenhang nicht der von jeglicher Materie und Energie entleerte Raum gemeint ist, sondern der quantenmechanische Zustand niedrigst möglicher Energie (Grundzustand). Als Energieeigenzustand zeigt er selbst keinerlei beobachtbare zeitliche Veränderung, insbesondere keine zeitliche Fluktuation. Dass er der Zustand niedrigst möglicher Energie ist, bedeutet hier, dass man z. B. kein reelles Teilchen (oder Energiequant) daraus entfernen kann, was allerdings nicht ausschließt, dass die virtuellen Vakuumanregungen reelle Anregungen in einem ultrakurz geschalteten Detektor doch erzeugen können.

Die in ähnlichem Zusammenhang oft auftauchenden Begriffe Nullpunktsschwingung und Nullpunktsenergie bezeichnen eindeutig beobachtbare Tatsachen wie z. B. messbar veränderte Reaktionsenergie. Diese beruhen auf der in der Quantenphysik gültigen Orts-Impuls-Unschärferelation.

Begriffsentstehung in der Quantenfeldtheorie

In der Physik versteht man unter Fluktuation die zufällige Änderung einer näherungsweise konstanten Systemgröße. Das Vakuum selbst ist in Raum und Zeit gleichmäßig und ändert sich überhaupt nicht. Ob in diesem Zustand Fluktuationen physikalischer Observablen, wie z. B. des elektrischen oder magnetischen Feldes, beobachtet werden können, hängt entscheidend von der Art der Messung ab.

In den störungs-theoretischen Formeln der Quantenfeldtheorie von Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli treten Unendlichkeiten auf, die von Richard Feynman und Julian Seymour Schwinger 1948 und etwas früher von Shin’ichirō Tomonaga durch die mathematische Methode der Renormierung aufgelöst wurden. Im Zusammenhang mit den dabei entstehenden Summanden entwickelten die Physiker die Vorstellung von Wolken aus virtuellen Teilchen, welche die Teilchen der klassischen Elektrodynamik (wie Elektronen oder Photonen) umgeben. In dieser Vorstellung können virtuelle Teilchen unter Verletzung des Energieerhaltungssatzes in einem unbeobachtbar kurzen Zeitraum real sein, bevor sie sofort wieder absorbiert werden. Durch die entstehende Fluktuation der Eigenschaften dieser Teilchenwolke verändern sich die in allen Prozessen in Erscheinung tretende Masse und Ladung der Teilchen. Somit ist diese Fluktuation in den beobachtbaren Teilchen wie Elektronen oder Photonen enthalten. Es besteht die Meinung, dass diese virtuellen Teilchen somit theoretische Konstrukte sind und keine reale physikalische Bedeutung haben. Diese Auslegung wird jedoch zunehmend als zu simplistisch angesehen und infrage gestellt. Die Vakuumfluktuation ist allerdings nicht mit der üblichen Paarbildung zu verwechseln, die nur bei realer Energiezufuhr erfolgt und zwei reelle Teilchen erzeugt.

Mit der Nutzung des Begriffs Vakuumfluktuation setzt sich der Mathematiker Arnold Neumaier in einem Forumsbeitrag kritisch auseinander. Er betont, dass die Verwendung von Vakuumerwartungswerten kein Anhaltspunkt für Vakuumfluktuationen sind, da diese Erwartungswerte in allen Berechnungen auftreten werden, solange sie in einer störungstheoretischen Einstellung durchgeführt werden. In nicht störungstheoretischen Studien von Quantenfeldtheorien auf dem Gitter habe niemand die geringste Spur von Vakuumfluktuationen gesehen. Es ist aber nicht klar, wie der relevante Messprozess, der bei jeder physikalischen Interpretation eine Schlüsselrolle spielt, in diese abstrakten Überlegungen inkorporiert wird.

Vakuumfluktuation in der experimentellen Praxis der Physik

1946 wurden die ersten Effekte, die der bis dahin nur theoretisch diskutierten Vakuumpolarisation zugeschrieben wurden, in Messungen beobachtet: die Anomalie des magnetischen Moments des Elektrons und die Aufspaltung zweier Niveaus des H-Atoms (Lamb-Verschiebung). Seitdem gibt es immer mehr physikalische Experimente, die den Anspruch erheben, Effekte gemessen zu haben, die auf Vakuumfluktuationen zurückzuführen sind. Einige der Experimente sind im Folgenden aufgeführt.

Der Casimir-Effekt

Vielfach wird der Casimir-Effekt (Anziehungskräfte zwischen parallelen Metallplatten) als Beweis dafür angesehen, dass Vakuumfluktuationen bzw. virtuelle Teilchen eine eigenständige physikalische Bedeutung haben.

Robert L. Jaffe zeigte 2005 jedoch, dass diese Effekte durch quantentheoretische Störungsrechnung auch ohne Vakuumfluktuationen hergeleitet werden können. Der Casimir-Effekt ergibt sich dabei bereits aus der Van-der-Waals-Wechselwirkung für Platten unendlicher Ausdehnung und Leitfähigkeit. Auch Joseph Cugnon hat vorgeschlagen, die Ursache des Casimir-Effekts eher mit der Van-der-Waals-Wechselwirkung zu erklären.

Dynamischer Casimir-Effekt

Aus der Quantenfeldtheorie hat der Physiker Gerald T. Moore 1970 hergeleitet, dass virtuelle Teilchen, die sich in einem Vakuum befinden, real werden können, wenn sie von einem Spiegel reflektiert werden, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Er wurde später auch dynamischer Casimir-Effekt genannt.

2008 zeigten Haro und Elizalde jedoch, dass dieser Effekt eher auf thermische Emission zurückzuführen sei.

2011 hat ein Team von schwedischen Wissenschaftlern der Chalmers University of Technology die Idee eines schnell rotierenden Spiegels umgesetzt, indem sie ein SQUID fast auf den Nullpunkt abkühlten und es mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes vibrieren ließen. Dabei entstanden messbare Photonen, deren Energiespektrum symmetrisch war zur halben Frequenz des oszillierenden fiktiven Spiegels. Daraus schlossen die Forscher, den dynamischen Casimir-Effekt gemessen zu haben.

Messungen mit sehr kurzen Laserimpulsen

2015 haben Physiker an der Universität Konstanz nach eigener Aussage Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes direkt nachgewiesen. Mit einem sehr kurzen Laserpuls im Bereich einer Femtosekunde wurden Effekte gemessen, die sich die Wissenschaftler nur mithilfe von Vakuumfluktuationen erklären können. Leitenstorfer und Kollegen kommen zu dem Schluss, dass die beobachteten Effekte von virtuellen Photonen ausgelöst wurden. 2019 wurde diese Interpretation durch Korrelationsmessungen des Vakuumzustands von der Gruppe um Jérôme Faist an der ETH Zürich unabhängig bestätigt. Es gibt mehrere theoretische Arbeiten, die beide Varianten der Experimente gut beschreiben. Des Weiteren wurden darauf aufbauend weitere Effekte, die durch Vakuumfluktuationen verursacht werden, vorhergesagt und beobachtet. Der entscheidende Punkt, der diese theoretische Beschreibung von den formalistischen auf der Quantenfeldtheorie basierenden Überlegungen unterscheidet, welche die Beobachtung der durch Vakuumfluktuationen verursachten Effekte ausschließen würden, ist die ultrakurze Zeitdauer der involvierten Messungen, die in diesen Überlegungen nicht angemessen berücksichtigt wird.

Messungen supraleitender Bereiche in kondensierter Materie

Quantenphasenübergänge treten in kondensierter Materie auf, wenn beim absoluten Temperaturnullpunkt nicht temperaturartige physikalische Parameter wie Druck, die chemische Zusammensetzung oder ein Magnetfeld variiert werden. Der jeweilige Phasenübergang (zum Beispiel der Übergang von einem Isolator in einen Supraleiter) wird dabei, nach Aussage der Forscher, von Quantenfluktuationen und nicht von thermischen Fluktuationen ausgelöst. Forscher der Bar-Ilan-Universität untersuchten extrem dünne Schichten eines Niob-Titan-Stickstoff-Supraleiters in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Mittels eines SQUID wurde festgestellt, dass sich die supraleitenden Bereiche mit der Zeit verändern, also zeitlich und räumlich fluktuieren. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten bei der Entwicklung von Quantencomputern nützlich sein.

Messungen an Gravitationswellendetektoren

2020 berichteten Wissenschaftler, mittels LIGO erstmals Auswirkungen von Quantenfluktuationen auf makroskopische Objekte menschlicher Größenordnung gemessen zu haben – auf die Bewegung 40 kg schwerer Spiegel der LIGO-Observatium-Interferometer-Detektoren. Ziel der Untersuchungen ist die Verbesserung der Empfindlichkeit von Gravitationswellendetektoren, die zur Messung von Gravitationswellen gequetschtes Licht verwenden. Durch die Korrelation von Schrotrauschen und einem postulierten Quantenrauschen (im Artikel mit QRPN = „quantum radiation pressure noise“ bezeichnet) konnte die Empfindlichkeit der Detektoren verbessert werden, woraus die Forscher die direkte Messung von Quantenfluktuationen schlussfolgern.

Messungen der magnetischen Anomalie des Myons

Seit langem vermessen Physiker das anomale magnetische Moment von Elementarteilchen. Bei den Messungen für das Myon sind im April 2021 Abweichungen zu den Vorhersagen des Standardmodells gefunden worden. Anlässlich der gefundenen Differenzen wurde der Wert für das Myon mit Supercomputern, basierend auf dem Standardmodell, neu berechnet. Ein Anteil des anomalen magnetischen Moments wird im englischen Artikel mit hadronic-vacuum-polarization bezeichnet. In diesem Zusammenhang sprechen die Forscher, die den Anteil der hadronischen Vakuumpolarisation (LO-HVP) neu berechnet haben, wie auch Josef M. Gaßner von Vakuum- oder Quantenfluktuationen.

Begriffsverwendung in physikalischen Lexika

In verschiedenen Artikeln wird Vakuumfluktuation unter Annahme von Nullpunktsenergie, die auch Vakuumenergie genannt wird, gelegentlich hergeleitet aus der Unschärferelation zwischen Zeit und Energie. Vakuumfluktuationen werden als Beleg dafür angeführt, dass das quantenmechanische Vakuum nicht im klassischen Sinne „leer“ ist. Auch werden Vakuumfluktuationen gelegentlich als mögliche Erklärung für die Dunkle Energie angesehen, jedoch unterscheiden sich die errechneten Werte um den Faktor 10¹²⁰ (Problem der Kosmologischen Konstante).

Literatur

• Ian J. R. Aitchison: Nothing’s plenty. The vacuum in modern quantum field theory, Contemporary Physics, Band 26, 1985, S. 333–391
• Kimball Milton (Hrsg.): The Casimir Effect, World Scientific 2001
• Peter W. Milonni: The quantum vacuum. An introduction to quantum electrodynamics, Academic Press 1994
• Johann Rafelski, Berndt Müller: The structured Vacuum – thinking about nothing. Harri Deutsch, 1985; physics.arizona.edu (PDF; 1,1 MB)
• Andreas Müller: Quantenvakuum. Astrowissen