Der Schulstoff:
Eigentlich wird dasThema Vakuum in der Schule nicht richtig behandelt.
Manchmal erfährt man etwas über den Luftdruck und darüber, dass man Luft auch abpumpen kann.
Früher konnte ich noch die Magdeburger Halbkugeln in der Mittelstufe vorführen, in vielen Schulen fehlen inzwischen funktionierende Ausrüstungen dazu.
Wenn man Glück hat, fassen die Jugendlichen das Vakuum als luftleeren Raum auf. Wenn man Pech hat identifizieren sie das auch mit Schwerelosigkeit....(Sie sind verblüfft, wenn Sie erfahren, dass im Orbit der ISS die Gravitation noch 88% der Oberflächenschwerkraft beträgt....)
Die in Schulversuchen notwendigen (und erreichbaren) Drucke von etwa 0,1% bis 1% des Luftdruckes sind eher ein luftverminderter Raum als ein gutes Vakuum.
Das Vakuum ist eher ein technisch realisierbares Hilfsmittel. Dabei bietet es spannende Einblicke in die Grundlagenforschung.
Das Extrafutter:
Das Vakuum leitet Licht
Einen ersten Einblick, dass das Vakuum Eigenschaften besitzt, gewinnt man durch die Formel für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum:
= 299800 Km/sec
Sie ist durch die beiden Feldkonstanten des elektrischen und des magnetischen Feldes bestimmt.
εo gibt an, wie die Ursachen der elektrischen Kräfte (die Ladungen) in elektrische Felder umgesetzt werden. Wäre die elektrische Feldkonstante größer, so würden Ladungen kleinere Feldstärken erzeugen.
μo gibt an, wie elektrische Ströme ihre Wirkungen als Magnetfelder im Vakuum entfalten können. Wäre die magnetische Feldkonstante größer, so würden Ströme größere magnetische Feldstärken erzeugen.
Das Vakuum behindert Ströme
Bildet man den Quotienten der beiden Feldkonstanten (und zieht noch die Wurzel), so erhält man einen elektrischen Widerstand.
Der Wert dieser Impedanz (Wechselstromwiderstand) des Vakuums liegt bei 376,7 Ohm..
Selbst wenn wir wirklich alle Materie aus einem Raumgebiet abpumpen, alle Strahlung herausnehmen, also ein perfektes Vakuum erzeugen, bleibt da etwas...Etwas, das Licht leitet und elektrischen Wechselfeldern einen Widerstand entgegensetzt.
Das Vakuum hat also Eigenschaften, es ist Träger von Etwas...
Was ist dieses Etwas?
Das Vakuum enthält Dunkle Energie
Über 70% der Substanz unseres Universums, die Raum und Zeit beeinflusst, besteht aus etwas, was im Raum ist, neuen Raum schaffen kann und somit für die kosmische Entwicklung sorgt. Die Menge der Dunklen Energie können wir gut bestimmen, sie passt aber zu keiner Eigenschaft des Vakuums, Abweichungen liegen bei 120 Größenordnungen...da stimmt was nicht....
Vakuumfluktuationen
Für Quanten gilt der Energieerhaltungssatz nicht immer, er wird durch die Unbestimmtheitsbeziehung von Energie und Zeit ergänzt: Für kurze Zeiträume kann Energie einfach so auftauchen, auch wenn dadurch die Energieerhaltung nicht stimmt. Die Menge der Energie ist antiproportional zum Zeitraum, den sie existiert.
Die Energie im Vakuum fluktuiert also ständig auf quantenmechanischem Maßstab in Form von auftauchenden und verschwindenden Photonen (das nennt man dann elektrisches Feld, die Photonen nennt man virtuell), aber auch durch auftauchende und verschwindende Paare aus Elektronen und Positronen (das Vakuum hat deshalb schwankende elektrische Eigenschaften, es ist polarisierbar).
Visualisierung von Etwas, was nicht zu visualisieren ist (credit: NASA)
Die Auswirkungen dieser Vakuumfluktuationen sind messbar, deshalb sollte man sie als real ansehen.
Was bewirken Vakuumfluktuationen?
Lichtentstehung
Wenn ein Elektron in einem Atom angeregt wird, springt es recht schnell wieder auf ein tieferliegendes Energieniveau und sendet die Differenzenergie als Photon aus.
Was aber löst den Sprung aus? Es ist eine stimulierte Emission durch eine passende Vakuumfluktuation.
Ganz banal ausgedrückt: Ohne Vakuumfluktuationen würden Atome nicht richtig leuchten.
Casimireffekt
Auch virtuelle Photonen muss man durch Wellen beschreiben.
Grenzt man im Vakuum mit zwei Metallplatten einen Bereich ab, so können innerhalb dieses Bereiches weniger verschiedene Wellenlängen auftauchen. Die Menge der Vakuumfluktuationen ist dort also kleiner als außerhalb, weil einfach weniger Wellenformen "dazwischen passen"! Es entsteht ein Druck der äußeren Vakuumfluktuationen, der eine Kraft in der Größe von mN auf die Metallplatten ausübt.
(credit: wikipedia common)
Hendrik Casimir (1909-2000) hat 1948 diese Kraft vorhergesagt. Die experimentelle Bestätigung erfolgte 1956.
Heute muss man die Auswirkungen dieser Kraft bei der Konstruktion von Nanomaschinen berücksichtigen
Lamb-Verschiebung
Durch die Vakuumfluktuationen verschieben sich die Energieniveaus der Atome geringfügig. Dies hat Dirac schon 1927 vermutet, aber erst Oppenheimer konnte das 1930 näher begründen (bevor er sich an die Entwicklung der Atombombe machte....).
1945 hat Lamb die Verschiebung dann am Wasserstoffspektrum ausmessen können.
Der Energieunterschied durch das Brodeln des Vakuums liegt bei 3 μeV, das entspricht einer Mikrowellenstrahlung von 1,1 GHz (Handyfrequenzen).
Lamb hat H-Atome in einen Mikrowellenofen geschossen und dort durch Mikrowellen den Übergang angeregt.
Im starken elektrischen Feld des Uranatoms ist der Einfluss der Vakuumfluktuationen viel stärker.
Bei zweifach ionisierten Uranatomen (heliumähnliches Uran) liegt sie bei 70 eV, d.h. sie wird durch kurzwelliges UV-Licht angeregt!
Die Auswirkungen der Vakuumfluktationen werden sichtbar!
Vermessung und Berechnung der Lamb-Shift ist eine der grandiosesten Leistungen der Physik.
Das unglaubliche Fluktuieren des Vakuums ist da und beeinflusst die Elektronenhüllen. Für die Entdeckung 1945 hat Willis Eugene Lamb (1913 - 2008) 1955 den Nobelpreis für Physik erhalten.
g-Faktor
Der g-Faktor beschreibt, wie der Spin eines Elektrons in sein magnetisches Moment umgesetzt wird. Die klassische Theorie (Elektron als geladene Kugel) ergibt g =1, Dirac berechnet mit der relativistischen Quantenmechanik g = 2.
Die Messungen aber ergeben einen Wert g =2,00231930036182(52). Das kann nur über den Einfluss von Vakuumfluktuationen erklärt werden.
Ganz schön viel los...im Vakuum...und schon lange bekannt...