Die Macht des Vakuums

Warum die Leere nicht ganz leer ist und das Universum womöglich durch deren Restbestand beherrscht wird, zeigen eine Spritztour in die unendlichen Weiten des Kosmos und ein Tauchgang durch die wunderliche Quantenwelt.

Blickt man nachts zum Himmel, sieht man das Licht unzähliger Sterne — riesiger Gasbälle, die durch das Verbrennen ihres Wasserstoffvorrats Strahlung erzeugen und so auf sich aufmerksam machen. Sterne, die am Himmel mit freiem Auge zu erblicken sind, gehören zu unserer Muttergalaxie, der Milchstraße. Zwischen den Sternen einer Galaxie finden sich viele Gas- und Staubwolken, die mitunter kosmische Geburtenstationen darstellen, wo sich durch Verdichtungen Sterne bilden. Kundige des Himmelszelts wissen mit geeigneten optischen Hilfsmitteln nicht nur solche „Nebel“, sondern auch einige Verwandte der Milchstraße aufzuspüren: Im Weltall tummeln sich ca. 100 Milliarden Galaxien, die sehr gesellig sind und sich durch Gravitation gerne zu Gala­xienhaufen oder gar Superhaufen zusammenschließen. Unsere Nachbargalaxie Andromeda befindet sich bereits in einer Entfernung von 3 Millionen Lichtjahren – die fernsten Galaxien, die man bis jetzt entdeckt hat, haben das Licht, das wir jetzt von ihnen sehen, bereits vor über 10 Milliarden Jahren abgeschickt und bringen uns dadurch Kunde über die Urzeit des Universums. So, und jetzt bitte festhalten: Ver­glichen mit dem Gesamtinhalt des Weltalls war bis jetzt gerade mal von ein paar Hundertstel die Rede!

Der düstere Kosmos

Alle sichtbaren Dinge im Universum (mit „sichtbar“ ist das gesamte elektromagnetische Spektrum gemeint, also neben dem optischen Bereich auch Radiowellen, Röntgenstrahlung, Infrarotlicht etc., welche allesamt spezielle Geräte zur Erfassung benötigen) ergeben zusammen also so gut wie nix. Woraus setzt sich also der Rest zusammen? Antwort: aus dunkler Materie und dunkler Energie. Woher wir das wissen? Einerseits ergeben Berechnungen, dass die Schwerkraft der sichtbaren Masse von Galaxien und Galaxienhaufen bei Weitem nicht ausreicht, um diese zusammenzuhalten. Dafür ist bis zu zehnmal so viel Materie notwendig, und diese noch fehlende Masse wird, weil man sie nicht sieht, als „dunkle Materie“ bezeichnet. Sie kann einerseits aus Objekten bestehen, die nicht ausreichend Energie abstrahlen, um zu leuchten (z.B. Planeten oder zu klein geratene Sterne), und aus schwarzen Löchern, welche tote Riesensterne darstellen, deren Masse auf engstem Raum konzentriert ist und dadurch sogar das Licht gefangen hält. Andererseits sind „exotische“ Teilchen, die mit Strahlung und Materie nur schwach wechselwirken, Kandidaten dafür. Es wären nun alle materiellen Formen aufgezählt. Doch damit noch immer nicht genug. Das kosmologische Standardmodell sowie moderne Beobachtungen und Berechnungen aus der Astrophysik ergeben eine beschleunigte Ausdehnung des Weltalls. Dafür ist allerdings eine gehörige Menge an Energie als Treibkraft nötig, die nicht allein von der gesamten Materie (Materie ist ja gemäß E = mc² eine Form von Energie, gewissermaßen „gefrorene“ Energie) sowie von der Strahlung bereitgestellt werden kann. Bei Weitem nicht, es fehlen ganze 70%! Also, kleines Resümee: Sichtbare und dunkle Materie ergeben gemeinsam rund 30% (wobei der Löwenanteil nicht leuchtet), der Rest wird unter dem Begriff „dunkle Energie“ zusammengefasst — woraus die bestehen soll, ist derzeit alles andere als klar … Naja, nun hätten wir wenigstens die 100% beisammen, auch wenn wir dabei gehörig im Dunkeln tappen. Darum geht’s jetzt wieder zurück zum Erhellenden: Wie eingangs schon erwähnt, empfangen wir Licht von unglaublich weit draußen, sogar von Distanzen, die dem Ende der Welt schon zum Greifen nahe sein könnten. Wenn nun dieses ganze Licht mehr oder weniger ungetrübt zu uns gelangt, dann kann ja eigentlich nicht viel dazwischen sein! In der Tat: Die Verteilung der Materie im Universum weist laut Positionsmessungen von über 250000 Galaxien eine schaumblasenförmige Struktur auf. Die Galaxien bilden dabei die Blasenwände, während sich dazwischen riesige Leerräume (so genannte „voids“) befinden, wo es anscheinend nichts gibt. Was aber ist dieses Nichts eigentlich? Ist es tatsächlich ein absolut leerer Raum?

Grauenvolle Leere

In der mittelalterlichen Scholastik (14. Jahrhundert) formulierte man das Prinzip vom Zurückschrecken der Natur vor der Leere („horror vacui“), um die logische Widersprüchlichkeit des Nichts aus der Welt zu schaffen. Dieses Prinzip sollte im 17. Jahrhundert durch zahlreiche Experimente auf die Probe gestellt werden: Man begann, die Natur des Vakuums systematisch zu erforschen. Versuchte Galileo Galilei anfangs noch, die Abscheu vor der Leere zu quantifizieren, so wurde bei Experimenten von Evangelista Torricelli sehr bald klar, dass sich diese Abscheu sehr launisch gestaltet: Taucht man ein dünnes Glasrohr vollständig in eine Flüssigkeitswanne und zieht es mit dem geschlossenen Ende langsam aus der Wanne heraus, so dass keine Luft von unten in das Rohr eindringt, dann sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Rohr bis zu einer bestimmten Marke ab – unabhängig vom Volumen des entstandenen Vakuums sowie von Länge und Neigung des Rohrs. Es entstehen also bei unterschiedlichen Rohrformen unterschiedliche Vakuumvolumina, der Flüssigkeitsstand bleibt (bei gleichem Rohrdurchmesser) allerdings gleich. Was Torricelli nun bereits vermutete, konnte Blaise Pascal beweisen: Für die verbleibende Höhe der Flüssigkeit im Rohr ist einzig und allein das Gewicht der Außenluft verantwortlich, welche die Flüssigkeit in die Höhe drückt! Die geheimnisvolle Abscheu der Natur vor der Leere entpuppt sich damit als Druck der Luft, welcher immerzu auf uns lastet. Und dieser Druck ist gar nicht mal so klein, wie das berühmte Experiment des Otto von Guericke zeigt, bei dem 16 Pferde nicht in der Lage waren, zwei luftleer gepumpte Halbkugeln auseinanderzuziehen. Besser gesagt, möglichst luftleer gepumpt – mit modernen Techniken ist man jedoch bereits in der Lage, ein Vakuum mit einer Moleküldichte von „nur“ einer Milliarde Luftmoleküle pro m³ zu erzeugen — im Vergleich zur Außenluft mit Normaldruck, wo sich in einem Kubikmeter Luft sagenhafte 1025 (eine 1 mit 25 Nullen dahinter) Moleküle befinden. Trotzdem, immer noch viel gegenüber der durchschnittlichen Materiedichte im gesamten Universum: Dort schwirrt im Mittel bloß ein Teilchen pro m³ herum.

Leer, aber oho!

Nun konnte also der horror vacui entkräftet werden – es bleibt jedoch noch ungeklärt, ob sich zwischen den Teilchen noch etwas befindet. Diese Frage wollen wir jetzt in Angriff nehmen, indem wir uns in die Mikrowelt begeben. Die Quantentheorie, eine der großen Revolutionen der Physik, schrieb dem Mikrokosmos eigene Gesetze zu. Als wohl folgenreichste Auswirkung beschreibt die von Werner Heisenberg entdeckte Unschärferelation prinzipielle Unbestimmtheiten in der Welt der Atome und Teilchen. Wurde sie von ihm noch so interpretiert, dass man Ort und Impuls (= Masse mal Geschwindigkeit) eines Teilchens nicht gleichzeitig exakt messen kann, wird sie heute vielmehr als prinzipielle Eigenschaft der Welt betrachtet, da man jegliche Materie als Welle beschreiben kann und ein Objekt aufgrund seiner Welleneigenschaften somit (unabhängig von Beobachtungen!) keinen genauen Ort und keinen genauen Impuls besitzt. Betrachtet man nun ein schwingendes Mikrosystem (z.B. ein zweiatomiges Molekül), so kann dieses deswegen – anders als ein Pendel in der klassischen Makrowelt – keinen Zustand einnehmen, wo Ort und Impuls eines Teilchens jeweils exakt Null betragen. Anschaulich gesagt, kann man ein kleines Teilchen nicht ganz zur Ruhe bringen. Ein solches System hat daher auch beim Nullpunkt eine Energie mit einem Wert größer Null und kann darüber hinaus auch nur bestimmte Energieniveaus (ganzzahlige Vielfache dieser Nullpunktsenergie) einnehmen – das ist der Grund, warum sich Elektronen in einem Atom nicht irgendwo aufhalten können, sondern nur in Bereichen, die solchen Energieniveaus entsprechen (den so genannten Orbitalen). Nun lässt sich mit der Nullpunktsenergie ein Effekt in Verbindung bringen, der von Hendrik B. G. Casimir 1948 vorhergesagt und acht Jahre später erstmals gemessen wurde: Das Vakuum selbst besitzt Energie! Werden zwei elektrisch neutrale Platten im leeren Raum in wenige Mikrometer Abstand zueinander gebracht, so bewirkt die Energie des Vakuums, dass die Platten einander anziehen. Verantwortlich für diesen „Casimir-Effekt“ sind Vakuumfluktuationen, also geringfügige Variationen des (im Mittel Null ergebenden) elektromagnetischen Feldes im Vakuum. Dabei passen zwischen die Platten nur bestimmte Schwingungen (ähnlich wie bei Grund- und Obertönen einer eingespannten Gitarrensaite), während an der jeweiligen Plattenaußenseite mehr Schwingungen zugelassen sind. Somit wirkt auf die Plattenaußenseiten ein Überdruck, der die Platten gegeneinander drückt. Die Leere besitzt also Kraft!

Nun können wir den Bogen vom Mikro- zum Makrokosmos spannen: Wir haben oben erwähnt, dass die moderne Astrophysik eine dunkle Energie postuliert, die 70% der gesamten Energie im Universum ausmachen soll. Die Vakuumenergie bietet sich hierbei als aussichtsreicher Kandidat für die dunkle Energie an – ist doch das Weltall zum größten Teil von Leere „befüllt“. Otto von Guericke äußerte sich zum Nichts so: „Es ist köstlicher als Gold, bar jeden Werdens und Vergehens, es ist erquickender als die Gnade des Lichts, edler als der Könige Blut, dem Himmel gleich, höher als alle Sterne, gewaltig wie des Blitzes Strahl, vollendet und allseits gesegnet. […] An dem Nichts, spricht Hiob, hanget die Erde.“ Es sieht so aus, als würde nicht nur die Erde, sondern der gesamte Kosmos am Nichts hängen. Allerdings werden PhysikerInnen und AstronomInnen noch Unmengen an Hirnschmalz investieren müssen, bis Klarheit über die Zusammensetzung des Weltalls herrscht.

Kommentare

Sehr interessanter Artikel.

Sehr interessanter Artikel. Danke dafür.

Gebäudeenergieberater

Neuen Kommentar schreiben

Plain text

  • Keine HTML-Tags erlaubt.
  • Internet- und E-Mail-Adressen werden automatisch umgewandelt.
  • HTML - Zeilenumbrüche und Absätze werden automatisch erzeugt.
By submitting this form, you accept the Mollom privacy policy.