Können wir Quantenvakuumsenergie jemals nutzbar machen? – Paul M. Sutter

Das Gewebe der Raumzeit ist voller vibrierender Quantenfelder, die als Vakuumenergie bekannt sind. Sie ist überall, wo wir hinschauen. Aber können wir jemals etwas damit anfangen?

Quelle: Could we ever harness quantum vacuum energy?

Wir können sogar die Stärke dieser Vakuumenergie berechnen. Wenn wir die Regeln der Quantenmechanik anwenden, um zu bestimmen, wie stark die Felder isoliert schwingen, erhalten wir … unendlich. Das ist richtig, es gibt eine unendliche Menge an Energie, die jedes Stückchen Raumzeit ausfüllt. Das liegt daran, dass es keine Grenze für die Anzahl der Schwingungen gibt, die diese Felder haben können. Kleine Schwingungen, mittlere Schwingungen und große Schwingungen finden in jedem Quantenfeld gleichzeitig statt.

Moment – wie können die Felder unendlich viel Energie haben und noch mehr Energie zur Erzeugung von Teilchen besitzen? Um diese Frage zu beantworten, können wir uns an ein cleveres Experiment des niederländischen Physikers Hendrik Casimir wenden.

Wenn man zwei Metallplatten nimmt und sie sehr, sehr nahe aneinander klebt, müssen sich die Quantenfelder zwischen diesen Platten auf eine bestimmte Weise verhalten. Die Wellenlängen ihrer Schwingungen müssen perfekt zwischen die Platten passen, so wie die Schwingungen einer Gitarrensaite ihre Wellenlänge an die Länge der Saite anpassen müssen. Im Quantenfall gibt es immer noch eine unendliche Anzahl von Schwingungen zwischen den Platten, aber es gibt nicht so viele unendliche Schwingungen zwischen den Platten wie außerhalb der Platten.

Mit ein paar cleveren mathematischen Kniffen können wir die beiden Arten von Unendlichkeiten subtrahieren und erhalten eine endliche Zahl. Das bedeutet, dass es außerhalb der beiden Platten tatsächlich mehr Quantenschwingungen gibt als innerhalb. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die Quantenfelder außerhalb der Platten die beiden Platten zusammenschieben, was als Casimir-Effekt bezeichnet wird. Wir können diesen Effekt messen und nachweisen, dass die Quantenfelder tatsächlich existieren.

All diese Theorien und Experimente führen zu einer verblüffenden Schlussfolgerung. Die gesamte Physik der Welt, jede Interaktion, jeder Prozess und jede Aktion, findet auf einer Bühne statt, die mit einer unendlichen Menge an Vakuumenergie gefüllt ist. So seltsam dieses Bild auch ist – es ist das Ergebnis jahrzehntelanger Untersuchungen der Quantentheorie.

Im Moment haben wir keine Möglichkeit, auf diese Energie zuzugreifen und etwas Nützliches mit ihr anzufangen. Das liegt daran, dass dies der niedrigste Energiezustand im Universum ist. Um Arbeit zu verrichten, braucht man Energieunterschiede, man muss Energie von einem Ort abziehen, sie umwandeln und sie an einen anderen Ort bringen.

Wir können der Vakuumenergie keine Energie entziehen, weil es für die Vakuumenergie keinen niedrigeren Ort gibt, an den sie gehen könnte. Das ist so, als würde man versuchen, einen Aufzug über die unterste Etage eines Gebäudes hinauszufahren – er bleibt im Erdgeschoss stehen, weil es darunter keine weiteren Etagen gibt.

Beim Casimir-Effekt mussten wir Energie in das System einbringen, um die Platten überhaupt erst einmal zusammenzubringen. Wenn sich die Platten in Bewegung setzen, erhalten wir einfach die Energie zurück, die wir hineingesteckt haben, ohne einen Nettogewinn an Energieerzeugung.

Im Science-Fiction-Universum gibt es viele Ideen, die vorschlagen, Vakuumenergie zum Antrieb eines Raumschiffs oder einer anderen fortschrittlichen Antriebsart zu nutzen. Diese Ideen widersprechen zwar der etablierten Physik, aber wir müssen zugeben, dass wir die gesamte Physik nicht vollständig verstehen … insbesondere die Vakuumenergie. Der größte Hinweis darauf, dass wir etwas falsch machen, hat nicht mit subatomaren Größenordnungen zu tun, sondern mit kosmischen.

In den späten 1990er Jahren entdeckten Astronomen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Die einfachste Erklärung für diese beschleunigte Expansion ist die Vakuumenergie des Universums. Da wir aber die Expansionsrate messen können, können wir damit die Gesamtmenge der Vakuumenergie abschätzen, und wir erhalten etwa 6 x 10^-10 Joule in jedem Kubikmeter Raum.

Das ist … nicht unendlich. Wir haben also ein Problem. Auf der einen Seite haben wir eine Reihe von subatomaren Berechnungen, Vorhersagen und Messungen, die uns sagen, dass es eine unendliche Menge an Vakuumenergie gibt. Auf der anderen Seite haben wir eine kosmische Messung, die uns sagt, dass die Menge an Vakuumenergie sehr, sehr klein ist.

Was ist da los? Wir haben keine Ahnung. Das ist eines der größten ungelösten Probleme der modernen Physik. Wenn wir einen Weg finden wollen, die Vakuumenergie zu nutzen, dann müssen wir zuerst verstehen, was sie wirklich ist. Was auch immer wir dort finden – es wird neue Arten von Physik beinhalten, und wer weiß, welche neue Physik sich uns erschließen wird.