Ein Vortrag über Nichts - Das Vakuum und der Casimir-Effekt

Transkript

1 1 / 23 Ein Vortrag über Nichts - Das Vakuum und der Casimir-Effekt aus der Vortragsreihe "Quanten, Felder, Schwarze Löcher" Markus Huber 18.Mai 2006

2 2 / 23 Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte des Vakuums Zoom in die Materie 2 3 Weiterer Aspekt des Vakuums Science Fiction? Zusammenfassung

3 3 / 23 Geschichte des Vakuums Geschichte des Vakuums Zoom in die Materie Leukipp, Demokrit: Atome bewegen sich im leeren Raum Plato, Aristoteles: Vakuum nicht denkbar Mittelalter: "horror vacui" 1277, Kirche: Gott kann Vakuum erzeugen, wenn er will 1643, Torricelli: Quecksilbersäule 1650, Pascal

4 4 / 23 Geschichte des Vakuums Zoom in die Materie Evangelista Torricelli ( ) Wanne mit Quecksilber an einem Ende geschlossenes Rohr mit Quecksilber angefüllt und aufgestellt Hohlraum am oberen Ende ab 760 mm Luftdruck kann Quecksilber nur soweit hineindrücken Was ist am oberen Ende?

5 4 / 23 Geschichte des Vakuums Zoom in die Materie Evangelista Torricelli ( ) Wanne mit Quecksilber an einem Ende geschlossenes Rohr mit Quecksilber angefüllt und aufgestellt Hohlraum am oberen Ende ab 760 mm Luftdruck kann Quecksilber nur soweit hineindrücken Was ist am oberen Ende?

6 5 / 23 Otto von Guericke Geschichte des Vakuums Zoom in die Materie Otto von Guericke ( ) Bürgermeister von Magdeburg Erfinder der Luftpumpe 16 Pferde 2 Halbkugeln

7 6 / 23 Daten des Vakuums Geschichte des Vakuums Zoom in die Materie Druck Dichte mittlere freie Weglänge Atmosphäre 1bar T./cm 3 68nm Vak. Labor bar 10000T./cm km Weltraum bar 1T./cm Lj Photonen (kosmische Hintergrundstrahlung), Neutrinos, Gravitationsfelder?

8 6 / 23 Daten des Vakuums Geschichte des Vakuums Zoom in die Materie Druck Dichte mittlere freie Weglänge Atmosphäre 1bar T./cm 3 68nm Vak. Labor bar 10000T./cm km Weltraum bar 1T./cm Lj Photonen (kosmische Hintergrundstrahlung), Neutrinos, Gravitationsfelder?

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14 12 / 23 Struktur des Vakuums Quantenfeldtheorie: Beschreibung durch Felder Quantenmechanik verlangt, dass alle Felder quantisiert werden müssen. Analogie: Dem Feld entspricht an jedem Punkt eine Feder. Vakuum hat komplexe Struktur. Fluktuationen treten auf, zb von Teilchenzahl; insgesamt aber Null: Vakuumsfluktuationen.

15 12 / 23 Struktur des Vakuums Quantenfeldtheorie: Beschreibung durch Felder Quantenmechanik verlangt, dass alle Felder quantisiert werden müssen. Analogie: Dem Feld entspricht an jedem Punkt eine Feder. Vakuum hat komplexe Struktur. Fluktuationen treten auf, zb von Teilchenzahl; insgesamt aber Null: Vakuumsfluktuationen.

16 12 / 23 Struktur des Vakuums Quantenfeldtheorie: Beschreibung durch Felder Quantenmechanik verlangt, dass alle Felder quantisiert werden müssen. Analogie: Dem Feld entspricht an jedem Punkt eine Feder. Vakuum hat komplexe Struktur. Fluktuationen treten auf, zb von Teilchenzahl; insgesamt aber Null: Vakuumsfluktuationen.

17 12 / 23 Struktur des Vakuums Quantenfeldtheorie: Beschreibung durch Felder Quantenmechanik verlangt, dass alle Felder quantisiert werden müssen. Analogie: Dem Feld entspricht an jedem Punkt eine Feder. Vakuum hat komplexe Struktur. Fluktuationen treten auf, zb von Teilchenzahl; insgesamt aber Null: Vakuumsfluktuationen.

18 12 / 23 Struktur des Vakuums Quantenfeldtheorie: Beschreibung durch Felder Quantenmechanik verlangt, dass alle Felder quantisiert werden müssen. Analogie: Dem Feld entspricht an jedem Punkt eine Feder. Vakuum hat komplexe Struktur. Fluktuationen treten auf, zb von Teilchenzahl; insgesamt aber Null: Vakuumsfluktuationen.

19 13 / 23 Energie des Vakuums Unschärferelation: Federn können nie exakt unausgelenkt und in Ruhe sein Feder besitzt minimale Energie ungleich 0 Vakuum besitzt Energie Energie des Vakuums ist unendlich! Wichtig sind die Energiedifferenzen!

20 13 / 23 Energie des Vakuums Unschärferelation: Federn können nie exakt unausgelenkt und in Ruhe sein Feder besitzt minimale Energie ungleich 0 Vakuum besitzt Energie Energie des Vakuums ist unendlich! Wichtig sind die Energiedifferenzen!

21 13 / 23 Energie des Vakuums Unschärferelation: Federn können nie exakt unausgelenkt und in Ruhe sein Feder besitzt minimale Energie ungleich 0 Vakuum besitzt Energie Energie des Vakuums ist unendlich! Wichtig sind die Energiedifferenzen!

22 13 / 23 Energie des Vakuums Unschärferelation: Federn können nie exakt unausgelenkt und in Ruhe sein Feder besitzt minimale Energie ungleich 0 Vakuum besitzt Energie Energie des Vakuums ist unendlich! Wichtig sind die Energiedifferenzen!

23 14 / 23 Hendrik Casimir Hendrik Brugt Gerhard Casimir (* , ) 1948, Philips Research Laboratories in Eindhoven in den Niederlanden: berechnete die Kraft, die heute als Casimir-Kraft bekannt ist

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65 16 / 23 Ändert sich die Vakuumsenergie durch die Anwesenheit von zwei Metallplatten? Berechnung ergibt kleineren Wert innerhalb als außerhalb. Platten bewegen sich aufeinander zu.

66 16 / 23 Ändert sich die Vakuumsenergie durch die Anwesenheit von zwei Metallplatten? Berechnung ergibt kleineren Wert innerhalb als außerhalb. Platten bewegen sich aufeinander zu.

67 16 / 23 Ändert sich die Vakuumsenergie durch die Anwesenheit von zwei Metallplatten? Berechnung ergibt kleineren Wert innerhalb als außerhalb. Platten bewegen sich aufeinander zu.

68 17 / 23 Kraft ist abhängig von Geometrie und Material. Kraft pro Fläche für parallele perfekt leitende Metallplatten: F A = π2 c 240 d 4 Beispiel 2 Platten mit einer Fläche von 1cm 2 im Abstand von 1µm: 10 7 N 10 8 kg Gewicht eines Wassertropfens 1 4 mm

69 Experimentelle Bestätigung 1958: große Messfehler 1997: gute Übereinstimmung Probleme nicht alle Frequenzen werden gleich reflektiert Parallelität der Platten 18 / 23

70 Weiterer Aspekt des Vakuums Science Fiction? Zusammenfassung 19 / 23 Photon-Photon-Streuung Wechselwirkung von Photonen(=Lichtteilchen)? Gibt es nicht in klassischer Theorie (ohne Quantenmechanik). Photonen wechselwirken nur mit Teilchen, die Ladung tragen. Photonen können sich in ein Elektron-Positron-Paar umwandeln und so mit einem weiteren Photon wechselwirken.

71 Weiterer Aspekt des Vakuums Science Fiction? Zusammenfassung 19 / 23 Photon-Photon-Streuung Wechselwirkung von Photonen(=Lichtteilchen)? Gibt es nicht in klassischer Theorie (ohne Quantenmechanik). Photonen wechselwirken nur mit Teilchen, die Ladung tragen. Photonen können sich in ein Elektron-Positron-Paar umwandeln und so mit einem weiteren Photon wechselwirken.

72 Weiterer Aspekt des Vakuums Science Fiction? Zusammenfassung 20 / 23 Die NASA und der Casimir-Effekt NASA: Breakthrough Propulsion Physics Project Ziel: Antrieb, der keinentreibstoff benötigt und möglichst große Geschwindigkeiten erreicht nicht das Ziel: diesen in absehbarer Zeit zu entwickeln Hypothetischer Antrieb über Casimir-Effekt

73 Weiterer Aspekt des Vakuums Science Fiction? Zusammenfassung 21 / 23 Zusammenfassung ist ein makroskopisch beobachtbarer Quanteneffekt. Seine Ursache liegt in der Struktur des Vakuums, das nicht leer ist. ist messbar und stimmt mit den theoretischen Vorhersagen ganz gut überein.

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