Die Entstehung aus dem Nichts: 7) Unbestimmtheiten und Vakuumfluktuationen

Das trübe Wetter gibt wenig Chance auf Himmelbeobachtungen in Nordhessen, da ist sicher Gelegenheit, sich weiter etwas mehr Gedanken über die Welt der Quanten und die Entstehung des Universums zu machen....

Im Plot 6) haben wir die Unbestimmtheitsrelation UBR  zwischen Ort  und Impuls kennengelernt, mit der Konsequenz, dass wir in der Quantenrealität nicht von Bahnen sprechen sollten.

Solche Unbestimmtheiten gibt es auch zwischen anderen Größen:  

Energie E und Zeit t:

ΔE * Δt > h/2π. 

Für den Zeitraum Δt ist die Energie eines Mikroobjektes unbestimmt, d.h. für beliebig kurze Zeiträume kann ein beliebig hoher Energiebetrag ΔE "aus dem Nichts“ auftauchen.

Der in der makroskopischen Physik so bedeutende Energieerhaltungssatz ist im Mikrokosmos  nur gültig, wenn makroskopische, also klassische Eigenschaften beschrieben werden. Ansonsten ist er schlichtweg in der Quantenwelt nicht gültig.

Mit der UBR von Energie und Zeit kann man die Struktur des Vakuums erklären: Das Vakuum enthält, selbst nach dem Entfernen sämtlicher Materie und Strahlung, ein Meer aus Teilchen- und Antiteilchenpaaren, die unter „Verletzung“ des Energieerhaltungssatzes und mit „Erlaubnis“ der UBR auftauchen und verschwinden. 

Diese sog. virtuellen Teilchen werden natürlich auch durch Wellen beschrieben. Schränkt man z.B. durch dicht beieinander stehende Platten die Möglichkeit für solche Wellen ein, so erzeugt das außerhalb der Platten  befindliche Vakuum, in dem eine größere Vielfalt virtueller Teilchen möglich ist, einen Druck, der die Platten zusammenführt. Zwischen den Platten können nur die virtuellen Teilchen auftauchen, deren Wellenlängen ganz zwischen die Platten passen. Es sind also weniger virtuelle Teilchen zwischen den Platten als außerhalb, und das erklärt den Druckunterschied. 

Dieser sog. Casimir-Effekt ist experimentell überprüft worden. Die Kraftwirkung liegt im Bereich von mN!

An dem Wort „virtuell“ erkennt man auch das sprachliche Problem. Die virtuellen Teilchen sind ganz normale Objekte. Es gibt keinen Unterschied zwischen der Substanz eines Elektrons, das virtuell und das nicht virtuell ist. Mit dem sprachlichen Konstrukt „virtuell“ beschreiben wir keine Objekteigenschaft sondern die nicht mögliche Objekteinordnung in klassische Vorstellungen.

Mit solchen virtuellen Quanten können wir auch die Vermittlung der elektrischen Kraft aber auch der starken und schwachen Kraft beschreiben.

Die elektrische Kraft wird durch Photonen vermittelt. Da Photonen mit beliebig kleiner Energie entstehen können (sie haben keine Ruhemasse), können diese virtuellen Photonen beliebig lang existieren und somit auch beliebig weitreichende Wechselwirkungen vermitteln. Elektrische Kräfte reichen unendlich weit, streben allerdings bei großen Abständen gegen 0.

Die virtuellen Quanten, die die schwache Kraft vermitteln, die Weakonen W+, W- und W0, besitzen eine Ruhemasse, können also nicht aus beliebig kleinen Energiefluktuationen entstehen. Deswegen ist die Reichweite der schwachen Kraft auf Femtometer begrenzt.

Wir sehen also, dass das Vakuum der Quantenwelt eine fluktuierende Strutkur hat. Da auch geladene Quanten entstehen und vergehen können, ist das Vakuum sogar elektrisch polarisierbar. Ohne diese Strutkur des Vakuums könnten wir nicht erklären wieso angeregte Atome Energie in Form von Licht abgeben.

Beim nächsten Plot werden wir die Quantenfeldtheorie QFT beschreiben, die diese Vakuumfluktuationen erklären kann.