Wo ein Vakuum ist, ist einfach nichts – das ist ja gerade die Definition von Vakuum. Sollte man jedenfalls meinen. Aber oft (und besonders in der Physik) sind die einfachen und offensichtlichen Dinge ja gern schlicht und einfach falsch – und so ist es auch mit dem Vakuum. In der Quantenmechanik ist ein Vakuum nicht mehr einfach “Nichts”, sondern – jedenfalls wenn man den populärwissenschaftlichen Darstellungen glaubt – voll von “Vakuumfluktuationen”, “virtuellen Teilchen” und solchem Zeugs. Leider sind diese Darstellung auch nicht so ganz korrekt, sondern nur (oft etwas schiefe) Bildchen des Vakuums. Hier will ich versuchen, etwas genauer zu erklären, was das Vakuum ist.
Die Hardcore-Hier-Wohnen-Drachen-Fans (falls es sowas gibt…) kennen das, was ich hier erklären will, schon: ich habe es sehr ausführlich in meiner Quantenfeldtheorie-Serie (siehe den Link auf Artikelserien rechts) erklärt. Aber die Erklärungen dort waren zum einen lang, zum zweiten etwas mathematisch und zum dritten weit hinten in einer langen (und nicht gerade einfachen) Serie versteckt. (Für mich hat sich die Serie auf jeden Fall aber gelohnt – denn zu einem guten Teil habe ich sie ja geschrieben, um mir selbst QFT beizubringen, und das hat ganz gut geklappt…) Deshalb versuche ich es hier noch einmal etwas kürzer zu erklären, denn Fragen nach dem Vakuum kommen ja immer wieder auf. (Weil ich dabei gelegentlich ein bisschen arg vereinfache, habe ich mal wieder Warnhinweise für diejenigen eingestreut, die schon ein bisschen mehr wissen.)
Das klassische Vakuum
Zunächst mal kann man sich natürlich fragen, wie man den Begriff “Vakuum” überhaupt definieren soll – unsere physikalischen Begriffe sind ja nicht naturgegeben, sondern menschengemacht, auch wenn sie mehr oder weniger gut mit natürlichen Phänomenen korrespondieren. In der klassichen Physik herrscht in einem Gebiet zunächst Vakuum, wenn man alle Teilchen daraus entfernt, so wie bei den berühmten Magdeburger Halbkugeln
Bild:public domain
Die einfachste Definition für ein Vakuum wäre also: “Ein Vakuum enthält keine Teilchen”.
Allerdings hat man dann im 19. Jahrhundert gemerkt, dass es nicht nur Teilchen gibt, sondern auch Felder, beispielsweise das elektrische oder magnetische Feld. Diese Felder enthalten auch Energie – wenn man also in einem Vakuum möglichst “Nichts” haben will, dann sollte es auch frei von solchen Feldern sein. Also: “Ein Vakuum ist ein materie- und feldfreier Raum”. Ein solches klassisches Vakuum ist also vollkommen leer (man könnte auch sagen, es ist nur Raum, aber ohne Inhalt). Ich bin hier historisch nicht ganz korrekt, denn es gab ja auch mal die Vorstellung des Äthers, der den ganzen Raum erfüllen sollte (also auch jedes Vakuum), aber diese Komplikation können wir hier ignorieren.
Quantentheorie: Teilchen und Felder
Wie überträgt sich nun diese “klassische” Definition in die moderne Physik, in der es ja die berühmten Quanteneffekte gibt (darüber habe ich ja schon viel geschrieben, klickt rechts bei Artikelserien, da sind einige meiner Texte zur Quantenmechanik gelistet)? Zunächst mal unterscheidet die Quantenphysik (genauer gesagt, die Quantenfeldtheorie) nicht zwischen Teilchen und Feldern. In der Quantenmechanik gibt es den oft verwendeten Begriff des “Welle-Teilchen-Dualismus'”, aber den braucht man eigentlich nicht, weil man alle Objekte (egal ob Licht oder Elektronen oder sonst etwas) mit Hilfe von “Quantenfeldern” beschreibt – deswegen heißt die Disziplin ja auch Quantenfeldtheorie, kurz QFT.
Die QFT ist ziemlich kompliziert (bei den Artikelserien findet ihr, wie gesagt, die Langfassung zum Thema), aber hier beschränken wir uns auf die einfachsten Aspekte. Was ist also ein Quantenfeld? Wenig überraschend ist es ein Feld, das mit den Mitteln der Quantentheorie beschrieben wird.
Das wirft natürlich die nächste Frage auf: was ist ein Feld? In der Physik ist ein Feld etwas, das an jedem Punkt im Raum (und zu jeder Zeit) einen bestimmten Wert hat. Beispiele für solche Felder kennt ihr aus dem Alltag, hier zum Beispiel ein Feld, das auf der Erdoberfläche definiert wird (aus Copyrightgründen habe ich das ursprüngliche Bild durch ein frei verfügbares ersetzt – also nicht wundern, dass in einem Artikel von 2013 ein Bild von 2015 drin ist…):
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