Wie kalt ist kalt? Selbst innerhalb der Physik gehen die Vorstellungen dazu auseinander. Für Umweltphysiker mit Spezialgebiet Eisforschung sind Gletscher „kalt“, wenn die Temperatur im Eis permanent unterhalb des Gefrierpunktes liegt, das Eis also nie zum Schmelzen kommt. Solche Gletscher eignen sich als Klimaund Umweltarchive. Für Atomphysiker mit Spezialisierung auf Laserkühlung hingegen sind Atome „kalt“, wenn ihre Temperatur sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegt. Die zwei Forschungsgebiete haben mehr miteinander zu tun, als man denken könnte: Die extrem kalten Atome können helfen, die Geschichte der nicht ganz so kalten Gletscher zu entschlüsseln.
Wie kalt ist kalt? Selbst innerhalb der Physik gehen die Vorstellungen dazu auseinander. Für Umweltphysiker mit Spezialgebiet Eisforschung sind Gletscher „kalt“, wenn die Temperatur im Eis permanent unterhalb des Gefrierpunktes liegt, das Eis also nie zum Schmelzen kommt. Solche Gletscher eignen sich als Klimaund Umweltarchive. Für Atomphysiker mit Spezialisierung auf Laserkühlung hingegen sind Atome „kalt“, wenn ihre Temperatur sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegt. Die zwei Forschungsgebiete haben mehr miteinander zu tun, als man denken könnte: Die extrem kalten Atome können helfen, die Geschichte der nicht ganz so kalten Gletscher zu entschlüsseln.
ZusammenfassungDie Naturerscheinungen, die sich unseren Sinnen darbieten, zeigen oft eine große Veränderlichkeit und Unbeständigkeit. Um dies zu erklären, hat man von alters her angenommen, daß die Erscheinungen als Folge des Zusammenwirkens einer großen Anzahl von Elementarteilchen, der sog. Atome, die selbst unveränderlich und beständig sind, aber wegen ihrer Kleinheit sich der unmittelbaren Beobachtung entziehen, entstehen. Ganz abgesehen von der prinzipiellen Frage, ob wir berechtigt sind, auf diesen Gebieten anschauliche Bilder zu verlangen, so mußte die Atomtheorie ursprünglich einen hypothetischen Charakter haben, und man war geneigt anzunehmen, daß sie diesen Charakter behalten würde, da man es der Natur der Sache nach für unmöglich hielt, einen direkten Einblick in die Welt der Atome zu erhalten. Es ist aber hier wie auf so vielen Gebieten gegangen; die Grenzen der Beobachtungsmöglichkeiten haben sich infolge der Entwicklung der Hilfsmittel immer weiter verschoben. Wir brauchen nur an die Kenntnis vom Blau des Weltalls, die wir mit Hilfe des Fernrohrs und des Spektroskops gewonnen haben, zu denken oder an den Einblick in den feineren Aufbau der Organismen, den wir dem Mikroskop verdanken. Ebenso hat die außerordentliche Entwicklung der physikalischen Experimentierkunst uns mit einer großen Anzahl von Erscheinungen bekannt gemacht, die direkte Aussagen über die Bewegungen der Atome und über ihre Anzahl gestatten.
Nicht einmal Albert Einstein mochte die Welt für so verrückt halten. Für ihn war es Spuk, nicht mehr und nicht weniger, was sich die Quantenmechanik da ausgedacht hatte. »Verschränkte« Teilchen. Absolut getrennt und dennoch permanent verbunden. Egal, wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind, wenn wir das eine messen, kennen wir den Wert des anderen. Verändern wir den Drehimpuls des einen oder dessen Polarisation, ändert sich die Eigenschaft des anderen Teilchens entsprechend. Und zwar augenblicklich und, wenn es sein muss, über tausende Kilometer Entfernung. Es fließt kein Strom, kein Licht, keine Information, nichts, was diese »spukhafte Fernwirkung« mit der klassischen Physik erklären oder messen könnte. Fest steht nur: Sie ist inzwischen unabweisbar. Die Verschränkung der Quantenzustände von Teilchen ist in den letzten Jahrzehnten zu einem Thema mit geradezu soziokultureller Sprengkraft geworden; denn in dem Phänomen steckt womöglich der Schlüssel für prinzipiell abhörsichere superschnelle Quantencomputer, die von nichts und niemandem geknackt werden können. Was aber, wenn es das Phänomen — oder ein prinzipiell ähnliches — nicht nur in der Quantenwelt gibt, sondern es ein Teil der Evolution ist und ins Leben eingreift?
Gibt es das Leere oder gibt es das Leere nicht? Diese Frage hat Wissenschaftler und Philosophen seit der Antike umgetrieben. Während etwa Demokrit behauptete, dass es nur Atome und den leeren Raum gebe, haben einflussreiche Gelehrte, vor allem Aristoteles, das Dogma des horror vacui verkündet, die Scheu der Natur vor der Leere. Es ist nicht erstaunlich, dass diese Frage im 17. Jahrhundert an Dringlichkeit gewann, hat man damals doch damit begonnen, solche Fragen experimentell zu entscheiden. Wie Klaus Liebers in diesem Heft diskutiert, sind nach den ersten Experimenten von Evangelista Torricelli vor allem die Untersuchungen von Blaise Pascal von Bedeutung. Wir wissen natürlich, dass auch in den Experimenten Torricellis und Pascals der Raum nicht völlig leer ist, da noch immer einige Flüssigkeits- oder Gasmoleküle vorhanden sind. Die interessante Frage ist, ob sich der Raum zumindest im Prinzip leeren lässt. In der Technik spricht man von einem Hochvakuum, wenn der Druck der verbleibenden Moleküle unter etwa 10−7 Hektopascal fällt, was mit dem Atmosphärendruck unter Normalbedingungen von etwas über 1013 Hektopascal zu vergleichen ist. Im interplanetaren Raum hat man weniger als 10−18 Hektopascal. Hier kommt ganz entscheidend die Quantentheorie ins Spiel. Als Vakuum bezeichnet man dort üblicherweise den Grundzustand des Hamilton-Operators, also den Zustand niedrigster Energie. Bei der Berechnung dieser Energie hat man mit mathematischen Schwierigkeiten zu kämpfen, da sich für diese Energie zunächst der unsinnige Wert unendlich ergibt. Das hat mit den Nullpunktschwankungen zu tun, die wegen Heisenbergs Unbestimmtheitsrelationen unvermeidbar sind. Das Problem lässt sich (zunächst) lösen, indem man nur die endlichen Differenzen zur Grundzustandsenergie betrachtet und letztere willkürlich auf null setzt. Überraschungen lassen nicht lange auf sich warten. So erkannte der niederländische Physiker Hendrik Casimir schon 1948, dass das Einbringen zweier paralleler Platten im leeren Raum dazu führt, dass diese sich anziehen, was einer negativen Grundzustandsenergie entspricht. Experimentell ist dieser Casimir-Effekt wohletabliert. Er zeigt, dass das Vakuum recht ungewöhnliche Eigenschaften hat. Die Überraschungen verstärken sich noch, wenn man einen Beobachter betrachtet, der sich mit gleichförmiger Beschleunigung a durch das Vakuum bewegt. Wie der kanadische Physiker William Unruh 1976 feststellte, sieht dieser Beobachter keinen leeren Raum, sondern nimmt einen thermischen Zustand mit der Temperatur ħa/2πkBc wahr. Hierin bedeuten ħ das Wirkungsquantum, kB die Boltzmann-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit. Grund dafür ist die verschränkte Natur des Grundzustands, die sich bei gleichförmiger Beschleunigung thermisch äußert. Obwohl dieser Unruh-Effekt experimentell noch nicht etabliert ist, wird er allgemein akzeptiert. Wir verdanken unsere Existenz dem Vakuum Eng verwandt damit ist ein nach dem britischen Physiker Stephen Hawking bezeichneter Effekt. Wie Hawking 1974 theoretisch herausfand, strahlen Schwarze Löcher mit einer Temperatur ħκ/2πkBc, wobei κ die Oberflächenbeschleunigung des Schwarzen Loches ist. Auch nach diesem Effekt wird experimentell gefahndet. Während in der Quantenfeldtheorie nur die Differenzen zur Grundzustandsenergie messbar sind, ist für die Gravitation tatsächlich die absolute Energie von Bedeutung, da jeder Energie nach E = mc2 eine Masse zugeordnet ist, die ein Gravitationsfeld erzeugt. So sollte etwa der Grundzustand des mit dem Higgs-Teilchen verknüpften Feldes ein beträchtliches Gravitationsfeld erzeugen, von dem aber nichts zu spüren ist. Zu spüren ist aber eine im Vakuum vorhandene, viel kleinere Energie, die als Kosmologische Konstante oder Dunkle Energie zu einer beschleunigten Expansion des Universums führt. Der Ursprung dieser Vakuumenergie ist bisher nicht geklärt. Nach den gängigen Vorstellungen der Kosmologie lassen sich die Strukturen im Universum, Galaxien und Galaxienhaufen, auf die Nullpunktschwankungen von Feldern im frühen Universum zurückführen, die durch eine äußerst schnelle Expansion (inflationäre Phase) quasi zum Leben erweckt werden. So verdanken auch wir unsere Existenz dem Vakuum, vor dem die Natur keine Scheu hat. Claus Kiefer ist Professor für theoretische Physik an der Universität zu Köln, wo er sich vornehmlich der Quanten- und Gravitationsphysik widmet.
Wie schon des öfteren erwähnt, äußert sich der korpuskulare Charakter des Lichts am eindrucksvollsten beim photoelektrischen Effekt. Letzterer läßt sich in Photozählern zum Registrieren einzelner Photonen ausnutzen. Die Auswertung solcher Zähldaten gewährt dann, wie wir in diesem Kapitel näher ausführen werden, genauere Einblicke in die Beschaffenheit elektromagnetischer Felder. Es wird so gewissermaßen die „Feinstruktur“ von Strahlungsfeldern — in Gestalt von Fluktuationsvorgängen — erkennbar, die der früheren, auf das Auge oder die photographische Platte angewiesenen und daher auf die Messung von zeitlichen Mittelwerten der Intensität beschränkten, Beobachtung notwendig verborgen bleiben mußten.