Quantenfluktuationen des Vakuums 01

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Der Casimir Effekt 01

Referenz

Die folgenden Informationen stammen aus einer Veröffentlichung in der Zeitschrift Physik in unserer Zeit, 34. Jahrgang 2003, Nr. 1, verfasst von Thomas Ziegler, Princeton. Zitate aus dieser Veröffentlichung werden in " " angegeben, Kommentare und Ergänzungen von mir sind kursiv eingefügt.

Mir geht es dabei prinzipiell um das Erfassen der zugrundeliegende Ideen und Konzepte, und wie man sie experimentell nachweisen bzw. wiederlegen könnte. Da ich nicht in den entsprechenden Wissenschaftsbereichen arbeitete, handelt es sich um die Nachforschungen eines neugierigen Amateurs.

"Einige Theorien zur Vereinheitlichung der vier bekannten Naturkräfte sagen neue Teilchen, Kräfte oder die Existenz von mehr als drei Raumdimensionen voraus. Mit der heute erreichbaren Messgenauigkeit sollten sich diese bei geringen Abständen in einem Abweichen von bekannten Gesetzen, wie dem Newtonschen Abstandsgesetz der Gravitation, bemerkbar machen. Bei solchen Experimenten stellt die Casimir-Kraft die wichtigste Unsicherheit in der Beschreibung des Messaufbaus dar. Theroretiker von der Purdue University und dem Wabash College haben nun eine Lösung dieses Problems vorgeschlagen [1]"


"Das Vakuum unterliegt permanenten  Quantenfluktuationen, bei denen Paare von Teilchen und Antiteilchen erzeugt werden, sich aber sofort wieder vernichten. Dabei hängt die Lebenszeit dieser Teilchenpaare von deren Energieinhalt ab, der wiederum einer bestimmten Wellenlänge entspricht."

E = h = hc/


E : Energie eines Teilchens, h Plancksche Konstante,  Frequenz, c die Lichtgeschwindigkeit,  die Wellenlänge

Zu E = h bzw. E =  hc/ vgl. die einführenden Seiten über Quantenmechanik.

"Befinden sich zwei leitende Platten im Vakuum, so werden zwischen ihnen nur Teilchenpaare erzeugt, deren Wellenlänge kleiner als der Plattenabstand ist."

(sonst passt eine volle Wellenperiode nicht dazwischen, das ganze erinnert an stehende Wellen)

"Außerhalb ist dies für alle Wellenlängen möglich."

D.h., außerhalb der Platten können alle Wellenlängen vorkommen, die einen Beitrag zur Gesamtenergie leisten
(vermöge E =  hc/)

"Der Casimir-Effekt beruht im Wesentlichen auf den elektromagnetischen Eigenschaften der Hüllenelektronen in den Atomen der Platten."

"Verglichen mit dem umgebenden Raum führt dies zu einer geringeren Energiedichte zwischen den Platten und resultiert in einer Kraft, welche die beiden Platten zusammenpresst. Diese Casimir-Kraft wurde bereits 1948 theoretisch vorausgesagt, konnte wegen ihrer äußerst geringen Stärke erst 1996 experimentell nachgewiesen werden. Die theoretische Beschreibung zeigt, dass die Kraft proportional zur vierten Potenz des Abstandes der Platten ansteigt und daher bei geringen Distanzen signifikant werden kann."

"In Experimenten zur Gravitation im Submilimeterbereich werden inzwischen Abstände der Probemassen von weniger als 0,1 mm erreicht. Hier darf man die Casimar-Kraft als Untergrund nicht mehr außer acht lassen. Betrachtet man beispielsweise zwei Kupferplatten mit einer Fläche von 1 cm2, so wird die Gravitationskraft bei etwa 14 m von der Casimir-Kraft übertroffen. Dies ist die Größenordnung, bei der aktuelle Theorien, die auf mehr als drei Raumdimensionen beruhen, die Möglichkeit kurzreichweitiger Gravitationseffekte voraussagen."

"Dennis Krause und Ephraim Fischbach gelang es nun erstmals, den Einfluss verschiedener Isotope auf die Casimir-Kraft theoretisch zu berechnen. Sie kommen zu dem Schluss, das die Unterschiede auf Grund der Isotope etwa 10000 mal geringer sind als die Casimir-Kraft selbst und daher in aktuellen Experimenten mit einer etwa 100 mal schlechteren Auflösung vernachlässigt werden können."


[1] D. E. Krause, E. Fischbach, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 190406

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