Vakuumenergie

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Die Vakuumenergie ist die Energie des „leeren Raumes“ bei vollständiger Abwesenheit von Materie.

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Die Vakuumenergie wird manchmal auch mit der Nullpunktenergie verwechselt – das ist die Bewegung von Quanten (Teilchen) bei Null Kelvin, hervorgerufen durch Effekte der Heisenbergschen Unschärferelation. Als ein experimenteller Nachweis der Vakuumenergie und die daraus hervorgehenden Vakuumfluktuationen gilt der Casimir-Effekt oder die Lambverschiebung. Die Vakuumenergie gilt als einer der möglichen Verursacher der Dunklen Materie und der Dunklen Energie.

Die Quantenfeldtheorie betrachtet ein Vakuum nicht als völlig leer. Selbst im Grundzustand, dem niedrigst möglichen Energieniveau, ermöglicht die Heisenbergsche Unschärferelation die Bildung von Virtuellen Teilchen und Feldern. Es gibt daher die Vorstellung eines Schaums von Teilchen und Feldern, die entstehen und sich wieder vernichten.

Die Vakuumenergie kann also Teilchen „aus dem Nichts“ entstehen lassen, doch ist die schnell erfolgende Annihilation, von aus ihr spontan entstehenden Teilchen und Antiteilchen, und die somit erfolgte Rückführung in den Grundzustand durch die Unschärfe des Systems keine Verletzung des Energieerhaltungssatzes.

Der Physiker Stephen Hawking hat dabei seine Gedanken über die Vakuumenergie wie folgt geschildert: Man nehme ein quantisiertes Objekt, in diesem Gedankenexperiment ein unglaublich winziges Pendel und man sage es ist in einem Zustand vollkommener Ruhe. Dies setzt voraus, dass Ort und Impuls gleichzeitig bekannt sind, nämlich 0, doch dies wäre eine Verletzung der Unschärferelation. Also postuliert man, dass Ort oder Geschwindigkeit unscharf sind, was bei näherer Betrachtung dazu führt, dass das Pendel entweder minimal vom senkrechten Winkel abweicht, wenn der Impuls 0 ist oder dass es minimale Schwingungen trotz allem ausführt bei senkrechter Ausrichtung nach „unten“. Wir sehen also: Nichts kann gemäß der Quantentheorie in vollkommener Ruhe sein. Da das Pendel nun aber durch seine Schwingung/Abweichung vom Lot durch Sätze der klassischen Physik Energie besitzt, schließen wir daraus, dass nichts absolut in Ruhe sein kann und somit auch nie Energie von = 0 hat. Eine minimale Unschärfe von ~0 ist immer vorhanden, doch diese reicht als Vakuumenergie, der Theorie nach aus, um virtuelle Teilchen entstehen zu lassen. (Um physikalische Korrektheit zu gewährleisten sei noch „, und um sie wieder zu vernichten.“, dazugefügt.)

Stephen Hawking hat die Teilchenerzeugung der Vakuumenergie beschrieben als Mechanismus für die „Verdampfung“ von Schwarzen Löchern (Hawking-Strahlung).

Einige vermuten auch, dass die Vakuumenergie die in der Kosmologie diskutierte Dunkle Energie ist, die wesentliche Einfluss auf die Kosmologische Konstante und damit auf die zeitliche Entwicklung des Universums hat. Es gibt hierfür aber noch keine überzeugende Theorie. Ein Problem dabei ist, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zur Konsequenz hat, dass die Gesamtenergie des Universums gleich Null sein muss.

John Wheeler errechnete, dass, wenn die Quantengesetze bis in die Plancksche Länge von 10^-33 cm gelten, die Energiedichte des Vakuums 10⁹⁴ g/cm³ betragen sollte. Die Höhe dieses Ergebnisses stellt ein Problem dar. Nach Einsteins Gleichung E = m×c² (Äquivalenz von Masse und Energie) wäre dann die Gravitationskraft des Vakuums sehr viel größer als die Gravitationskraft der gesamten Materie des Universums. Dann ist es ein Rätsel, wie sich das Universum ausdehnen konnte. Wenn es sich jedoch erst einmal ausgedehnt hat, wäre diese hohe Gravitationskraft des Vakuums nicht mehr einfach messbar, da sie ja gleichverteilt ist und sich für gewöhnlich in der Waage hält.

Es wird mitunter vermutet, dass die Vakuumenergie zur Energiegewinnung genutzt werden könne. Siehe dazu Freie Energie (Pseudowissenschaft).