Keine Scheu vor dem Nichts

Für seine Bewerbung um den KlarText-Preis für Wissenschaftskommunikation 2021 in der Kategorie Physik veranschaulichte Daniel Reiche, was er in seiner Promotion erforscht hat.


Das Vakuum rauscht hektisch. Dieses Rauschen kann schier unüberwindbare Kräfte hervorrufen, die nur die skurrilsten Ideen der modernen Physik erklären können. Mit besonders komplexen Modellen gelingt es jetzt vielleicht auch die exotischsten dieser Kräfte zu bändigen.

Stellen Sie sich das Vakuum vor. Das Ergebnis ist vermutlich wenig reizvoll: Ein Raum, aus dem alles entfernt wurde, alle Teilchen, jede Strahlung. Was übrig bleibt, das ist Vakuum. Es ist dunkel, kalt, leise, geschmacks- und geruchlos. Das einfachste System überhaupt. Das Nichts.

Überraschenderweise entstehen aber reale Effekte durch das Nichts. Physiker_innen nennen diese Effekte Vakuumkräfte. Sie erklären, warum Käfer die Wände hinauf laufen können oder warum chemische Elemente Bindungen eingehen. Wenn wir Vakuumkräfte erforschen, gewinnen wir nicht nur tiefere Einblicke in die Beschaffenheit unserer Welt, sondern auch ein machtvolles Werkzeug zur Entwicklung von Zukunftstechnologien.

Um zu verstehen, was Vakuumkräfte sind, müssen wir zuerst unser Vokabular ins Ungewohnte erweitern. Zudem weisen wir darauf hin, dass es sich bei dem Autor um einen theoretischen Physiker handelt und empfehlen kurz durchzuatmen.

Also, nehmen wir an, nur für den Moment, dass doch etwas übrig bleibt, im Vakuum. Aus Mangel an besseren Worten sagen wir, das Vakuum sei gefüllt mit virtuellen Teilchen. Dabei handelt es sich weder um Teilchen, noch um Strahlung. Die Frage ist, könnten wir den Unterschied erkennen zur ursprünglichen Vorstellung, in der es keine virtuellen Teilchen im Vakuum gibt?

Um eine Antwort zu finden, machen wir ein Gedankenexperiment. Betrachten wir diesmal zwei Körper. Der Einfachheit halber nehmen wir zwei Platten, die sich parallel gegenüber stehen. In dem Hohlraum zwischen den Platten, sowie in deren Umgebung, sei Vakuum. Als Experimentator_in wollen wir wissen, ob sich die Platten bewegen.



Skizzenhafte Darstellung des Vakuums aus der Perspektive der modernen Physik. Oben links: Klassisch versteht man unter Vakuum die Abwesenheit vom allem. Oben rechts: Die moderne Physik sagt virtuelle Teilchen hervor, die selbst im Vakuum vorhanden sind. Unten: In der Gegenwart von Gegenständen, wie zum Beispiel zwei Platten, können die virtuellen Teilchen im Vakuum makroskopische Kräfte hervorrufen.
© Daniel Reiche

In der ursprünglichen Vorstellung vom Vakuum lautet die Antwort: Nein, es gibt nichts, das eine Bewegung hervorrufen könnte. Virtuelle Teilchen hingegen führen zu interessanterem Verhalten. Die Platten teilen das Vakuum in zwei Teile: Den Hohlraum, und den Rest. Einige der virtuellen Teilchen werden in den Hohlraum hinein passen, aber viele mehr müssen draußen bleiben. Die draußen „schieben“ die Platten zusammen. Die virtuellen Teilchen drinnen, aus Platzmangel, „drücken“ in entgegengesetzte Richtung. Allerdings sind innerhalb des Hohlraumes viel weniger virtuelle Teilchen, sodass sie dem externen „Schub“ nicht Stand halten. Die Platten bewegen sich aufeinander zu; wir beobachten also die Wirkung von Vakuumkräften.

Tatsächlich können solche Prozesse auch in echten Experimenten nachgewiesen werden. Alles, was nah beieinander ist, zieht sich an. Seien es die Füße eines Käfers und die Wand oder zwei beliebige Moleküle. Und – Nein! – nicht aufgrund von Gravitation oder elektrischen Ladungen, nicht durch Druckunterschiede ziehen sich die Platten an, sondern allein durch das Vakuum zwischen den beiden Körpern.

Der letztendliche Einfluss des Vakuums ist je nach Situation unterschiedlich. In manchen Situationen macht sich die Wirkung der virtuellen Teilchen niemals bemerkbar. In anderen Situationen stellen sie die Hauptursache für Wechselwirkungen dar. Als Faustregel gilt, wenn zwei Objekte auf das Millionstel eines Meters – also ungefähr hundert Mal dünner als das menschliche Haar – zusammen kommen, dann sollte man anfangen über Vakuumkräfte nachzudenken. Zum Beispiel können Vakuumkräfte ein ausschlaggebender Faktor bei der Konstruktion von kleinsten technischen Geräten sein. Durch die Anziehung „klebt“ dabei einfach alles zusammen. Wie genau stellt die Forschung aber immer noch vor substanzielle Fragen.

Hier haben wir angesetzt. Als Theoretiker_innen brauchen wir erst ein System, dann ein mathematisches Modell. Das System soll physikalische Komplexitäten hervorheben. Das Modell soll diese Komplexitäten dann lösen.

Als idealer Kandidat für so ein System hat sich die Vakuumkraft zwischen etwas vergleichsweise Kleinem (Atom) und etwas vergleichsweise Großem (Festkörper) herausgestellt. Das ist sehr ähnlich zu den zwei Platten. Durch die Wahl von Atom und Festkörper betonen wir aber zudem noch einen Größenunterschied.

Obwohl die erste umfassende theoretische Beschreibung dieser Situation bereits Ende der 1940er Jahre gegeben wurde, ist es bemerkenswert, dass ein solch scheinbar einfaches System bis heute Fragen aufwirft. Solche Fragen tauchen besonders im sogenannten Nichtgleichgewicht auf, worin ein Hauptfokus unserer Arbeit besteht. Für uns bedeutet Nichtgleichgewicht vereinfacht gesagt: Das Atom bewegt sich.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass unser System, wie man vielleicht vermuten würde, keinesfalls realitätsfern ist. Zum Beispiel, um Messtechniken und Recheneinheiten auf kleinstem Maßstab zu realisieren, untersucht man heutzutage standardmäßig das Verhalten von Atomen in der Nähe von Chip-Strukturen. Die dabei wirkenden Vakuumkräfte verhindern maßgeblich eine weitere Verkleinerung und verringern die Effizienz solcher Geräte.

Zurück zu unserem System, dem bewegten Atom. Hier konnten wir ein nicht unwesentliches Problem lösen: Moderne Modelle sagen vorher, dass sich das Atom durch die Bewegung zunächst aufheizen, und schließlich „explodieren“ würde. Vergleicht man solche Vorhersagen mit den relativ seltenen Explosionen in unserem Alltag, so ahnt man, dass wir es hier wohl mit einem Widerspruch in der Beschreibung zu tun haben. Im Rahmen meiner Promotion haben wir uns der Aufgabe gewidmet, den Widerspruch aufzuklären.

„Wir“, das ist die Arbeitsgruppe der theoretischen Optik und Photonik an der Humboldt-Universität zu Berlin unter der Leitung von Kurt Busch und Francesco Intravaia, zusammen mit unserem Kollegen Bei-Lok Hu von der University of Maryland in den Vereinigten Staaten. Letzteren konnte ich einen Sommer lang besuchen. Man mag sich kurz in die Problematik hineinversetzen, eine Reise über den Atlantik zu rechtfertigen, um an(m) „Nichts“ zu arbeiten. Schließlich sind die Hauptwerkzeuge von Theoretiker_innen Stift und Papier und ein direkter Zugang zu großen experimentellen Aufbauten ist selten nötig. Allerdings, der kreative Austausch von Angesicht zu Angesicht vor einer Kreidetafel ist auch heute noch unersetzlich.


Das typische “Labor” einer theoretischen Physiker_in besteht unter anderem aus Tafel und Büchern sowie gerne auch einem Heißgetränk.
© Daniel Reiche

Unsere gefundene Lösung liegt in einem Formalismus, der weniger auf die erzeugten Kräfte achtet, als auf die korrekte „Buchhaltung“ der Wechselwirkung. Wir verfolgten alle geänderten, ausgetauschten, oder verlorenen Energien im System, um dem scheinbaren Erhitzen auf den Grund zu gehen. Letztendlich zeigte sich, das Atom erhitzt sich nicht wirklich; die Welt bleibt stabil, so wie wir sie erleben. Der Fehler lag in den Modellen, welche wir verbessern konnten.

Der Mehrwert unserer Beschreibung besteht in der Berücksichtigung sogenannter Langzeitkorrelationen: Das Atom „kommuniziert“ mithilfe der virtuellen Teilchen mit dem Festkörper. Dieser verarbeitet die Information und „antwortet“. Das Gespräch braucht seine Zeit und die geben wir ihm. Vorherige Beschreibungen haben das Gespräch zu früh abgebrochen und damit einen wichtigen Teil der übertragenen Informationen ignoriert. Wir haben diese fehlenden Informationen wieder in die Beschreibung aufgenommen und konnten eine Art Anleitung entwickeln, wann, wo und wie genau man die nötige „Geduld“ mitbringen sollte.

Eine solche Erkenntnis würde sich vermutlich für die Schubladen und Textbücher des akademischen Elfenbeinturmes eignen, wären da nicht die glücklichen „Randerscheinungen“: Die zunehmende Komplexität der Beschreibung offenbart faszinierende Vorhersagen, die zuvor übersehen wurden.

Wir konnten zeigen, dass das Atom sich aufgrund der Vakuumkräfte zu drehen beginnt, während es an der Oberfläche entlang gleitet. Vergleicht man die Situation mit einem Ball, der auf einer Straße rollt, so erscheint das Ganze nicht sonderlich überraschend. Allerdings ist der Rotationssinn des Atoms unkonventionell: Sagen wir, das Atom bewege sich von links nach rechts, dann rotiert es entgegen dem Uhrzeigersinn. Zur Erinnerung, ein Ball auf der Straße würde mit dem Uhrzeigersinn rotieren.

Wir haben auch herausgefunden, dass bestimmte Vakuumkräfte auf das bewegte Teilchen hochgradig nicht-additiv wirken. Das heißt, verdoppelt man die Anzahl an Festkörpern in der Nähe des Atoms, so erhält man nicht die doppelte Kraft, sondern wesentlich mehr. Das widerspricht unserer Alltagserfahrung vollkommen. Normalerweise ist das Tragen von zwei Einkaufstüten, anstelle von einer, ungefähr doppelt so anstrengend. Man läuft vielleicht etwas langsamer, aber alles in angemessener Proportion. Dahingegen kann die Vakuumkraft auf ein bewegtes Atom in der Nähe zweier Oberflächen schon einmal das zehn- oder fünzigfache der ursprünglichen Arbeit bedeuten.

Die endgültige Bestätigung unserer Vorhersagen obliegt natürlich dem Experiment. Insbesondere in der Entwicklung von Mikro- und Nanotechnologien werden Vakuumkräfte oftmals als störendes Rauschen wahrgenommen. Mit unseren Vorhersagen haben wir die Hoffnung, dass Vakuumkräfte zukünftig weniger als Hindernis verstanden werden, sondern vielmehr ihre Potentiale nutzbar gemacht werden können. Bis dahin werden sicherlich noch einige Kreidetafeln gefüllt.


Daniel Reiche wurde 1992 in Leipzig geboren. Zwischen 2011 und 2016 studierte er Physik in Jena und Berlin und forschte für seine Masterarbeit am Los Alamos National Laboratory. Anschließend arbeitete er am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie sowie als Fulbright Stipendiat an der University of Maryland, College Park, und der Northern Arizona University. 2021 promovierte er an der Humboldt-Universität (HU) zu Berlin mit dem Schwerpunkt auf quantenoptischen fluktuations-induzierten Phänomenen im Nichtgleichgewicht. Derzeit arbeitet Daniel Reiche als Post-Doc zur Miniaturisierung von Quantensensoren an der HU Berlin.

11 Kommentare

  1. Gemäss Wikipedia soll ja Hendrik Casimir auch zuerst die Kräfte zwischen einem Atom und einer leitenden Platte untersucht haben bevor er dann herausfand, dass die nach ihm benannte Casimirkraft noch einfacher für zwei leitende, sich fast berührende Platten zu berechnen ist. Zitat Wikipedia:

    Er berechnete daraufhin die Kräfte zwischen zwei Atomen und zwischen einem Atom und einer leitenden Platte. Schließlich wurde ihm klar, dass die Berechnung für zwei leitende Platten noch einfacher ist, und dieses Ergebnis publizierte er schließlich.

    Mit andern Worten: Schon Hendrik Casimir wusste um die quantentheoretische Komplexität der Aufgabe die Kräfte zwischen zwei sehr nah beieinander liegenden Objekte zu berechnen. Schliesslich suchte er die einfachste Situation heraus, nämlich die Kräfte zwischen zwei nahe nebeneinander liegenden Platten, um eine einfache „Formel“ zu finden und sein Resultat zu veröffentlichen. Experimentell wurde es dann 12 Jahre nach seiner Veröffentlichung bestätigt.

    Auch heute noch scheint es sehr aufwendig solche Nahfeldkräfte und Nahfeldwechselwirkungen zu berechnen. So aufwendig, dass man den Resultaten nicht ohne weiteres trauen kann und man sie experimentell bestätigen muss. Mit den Quantentheorien hat man ja heute Theorien mit denen man sogar das Kleinste exakt berechnen kann. Allerdings eben vor allem prinzipiell. Sobald es um eine praktische Frage geht, kann es äusserst komplex und rechenaufwendig werden.

    Nicht umsonst erhoffen sich viele einen Quantensprung in der Bewältigung solcher Aufgaben, wenn es einmal Quantencomputer mit einer Million Qubits und mehr gibt. Denn wenn ein Quantencomputer etwas kann, dann ist es die Berechnung von Quantensystemen, schliesslich erfand Richard Feynman den Quantencomputer gerade für solche Aufgaben.

    Die Gründer der Firma PsiQuantum, welche einen optischen Quantencomputer bauen wollen, hoffen jedenfalls, dass sie irgendwann die Wissenschaft der Chemie zu einer exakten Disziplin machen können, in der es die Realität nicht mehr wagt sich anders zu verhalten als es ihr Quantencomputer berechnet hat.

  2. Martin Holzherr schrieb (21.01.2022, 09:03 Uhr):
    > […] Hendrik Casimir [… und] die nach ihm benannte Casimirkraft […] für zwei leitende, sich fast berührende Platten
    > […] eine einfache „Formel“ […] Experimentell wurde es dann 12 Jahre nach seiner Veröffentlichung bestätigt.

    Was jeweils experimentell bestätigt wurde, war wohl eher die Annahme, dass die (geometrischen und “Material”-)Eigenschaften (insbesondere “effektive Ebenheit” und Oberflächen-Leitfähigkeiten) der relevanten “Platten”-Paare in den betreffenden Versuchen mehr oder weniger dem (einfachen) Modell entsprachen, für das Casimir die “einfachen Formel” herleitete.

    (Es lassen sich stattdessen offenbar auch Paare von “Platten” vorstellen und sogar auffinden, mit denen diese Annahme deutlich widerlegt ist.)

  3. Es ist natürlich unbestritten, dass es den Casimir-Effekt gibt.
    Wenn man nun die Reichweite der virtuellen Photonen aus der Unbestimmtheit von Energie und Zeit berechnet,
    dann findet man heraus, dass die Reichweite der virtuellen Photonen nur ungefähr 8 Prozent ihrer Wellenlänge betragen kann.
    Das verträgt sich leider nicht sehr gut mit dem Casimir-Effekt.
    Was ist an meinen Überlegungen falsch?
    Wegen der vielen Sonderzeichen sind die Berechnungen als Bild dargestellt:
    http://s880616556.online.de/VIRTPHOT.PNG

    • > Wenn man nun die Reichweite der virtuellen Photonen aus der Unbestimmtheit von Energie und Zeit berechnet

      Das ist nicht korrekt: In der Standardformulierung der QM ist die Zeit kein Operator, aber der Kommutator [A, B] zw. zwei Operatoren A, B, quantisiert die Unsicherheit.
      Daher ist ergibt die Delta E Delta t “Unsicherheit” wenig Sinn.

      Wenn wir allerdings Energietransfer zw. zwei Systemen (z. B. Particle Particle) haben und nur für eine beschränkte Zeit messen, dann gibt es ein scheinbare Unsicherheit in dem Sinne von Fermi’s Golden Rule.

      Cheers

  4. Hallo Frank Wappler, hallo Henry.
    Danke für die Antworten.
    Leider habe ich dazu noch einige Fragen:
    Was bedeutet das nun für die Lebensdauer der virtuellen Teilchen?
    Die Strecke, die ein virtuelles Teilchen in seiner Lebensdauer
    mit Lichtgeschwindigkeit zurücklegen könnte, begrenzt doch den
    möglichen Radius seiner Wirkungen?
    Der Casimir-Effekt​ orientiert sich doch daran, dass der Abstand
    der beiden leitfähigen Platten einem Vielfachen der halben
    Wellenlänge der virtuellen Teilchen entsprechen muss?

  5. Karl Bednarik schrieb (26.01.2022, 05:49 Uhr):
    > […] dass der Abstand der beiden leitfähigen Platten einem Vielfachen der halben Wellenlänge der virtuellen Teilchen entsprechen muss […]

    Eher:
    dass die virtuellen Feldquanten, deren Energie die (statische) Wechselwirkung zwischen leitfähigen Platten “vermittelt” (oder womöglich besser: “bilanziert”), als stehende Wellen zwischen diese Platten passen müssen.
    (Die Herleitung berücksichtigt dabei auch “Wellen-Moden” deren Wellenvektor nicht parallel zur gemeinsamen Flächennormale ist.)

    > Was bedeutet das nun für die Lebensdauer der virtuellen Teilchen? […]

    Von Lebensdauer kann bei dieser statischen Versuchsanordnung gar keine Rede sein.
    Die “charakteristische Dauer” (2 π) / ω, die sich jeder dieser stehenden Wellen(-Moden) zuordnen lässt, ist offenbar deren Periodendauer; keine Lebensdauer.

  6. “Das Atom kommuniziert….Das Gespräch braucht seine Zeit…”
    Gerade das ist es was mich als Laie interessieren würde : Die Zeit. Solange wir von Zeit reden besteht in diesem Kosmos Entstehung und Vergehen. Folglich ist selbst dieser Kosmos mit Zeit messbar und vergänglich. Dieses “Nichts” was sie meinen könnte nur zeitlos sein bzw. definierbar. Die Altindische Philosophie(Mythologie) spricht von “Ohne Anfang und ohne Ende …” Da dieser Kosmos in dem wir leben überall Anfang und Ende hat, könnte es, philosophisch gesehen, auch kein hundertprozentiges Vakuum (Nichts) haben.

  7. Zu K. Bednarek
    “Ein pulsierendes Universum…”
    Ich spekuliere mal. Ein pulsierendes Universum besteht aus einer Zeitachse auf der Prozesse von Entstehung und Vergehen (Energieumwandlungen) ablaufen. Somit wäre es endlich. Und was ist Universum ? Vielleicht nur eine Blase aus dem NICHTS , eine Art Urknall ? Im NICHTS, was zeitlos ist, was kein Anfang und kein Ende hat, gibt es so gesehen auch keinen Raum und keine Zeit. Vakuumkräfte , so wie wir sie kennen, könnten nach dem Urknall entstanden sein, also als sich Raum und Zeit gebildet haben. Man könnte meinen dass dieses NICHTS unendlich viele Urknallversionen bildet . Dieses “bildet” ist allerdings wiederum mit Zeit verbunden, was darauf hindeutet würde das es vielleicht noch eine andere “Kraft” geben könnte.

Schreibe einen Kommentar


E-Mail-Benachrichtigung bei weiteren Kommentaren.
-- Auch möglich: Abo ohne Kommentar. +