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Quantenelektrodynamik: Die Vermessung des Nichts

Lange war man überzeugt, das Vakuum beschreibe einen leeren Raum. Doch die Quantenphysik belehrt uns eines Besseren: Es ist erfüllt von Quantenfeldern, die zu seltsamen Phänomenen führen. In den nächsten Jahren wollen Forscher in einer Reihe von Experimenten nach und nach seine letzten Geheimnisse enthüllen.
Quantenfelder (Symbolbild)Laden...

Seit der Antike diskutieren Wissenschaftler über die Natur des Vakuums. Im 5. Jahrhundert v. Chr. vertraten die Gelehrten Leukipp und Demokrit die Meinung, dass sich zwischen den winzigen Bausteinen der Materie bloß leerer Raum befinde. Diese Ansicht fand jedoch nicht bei allen Anklang, zum Beispiel widersprach Aristoteles seinen Kollegen. Daraufhin setzte sich die Vorstellung durch, die Natur hege eine Art Abneigung gegen einen leeren Raum (horror vacui).

Die Unstimmigkeiten zogen sich bis in die Moderne hinein. Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte der englische Experimentator Michael Faraday die Idee von magnetischen Feldern, die den leeren Raum erfüllen. James Clerk Maxwell, der wenig später die klassische Theorie des Elektromagnetismus formulierte, wollte sich Felder hingegen nicht ohne materiellen Träger vorstellen: Er postulierte die Existenz eines Äthers, der den Raum durchziehen und elektromagnetische Wellen transportieren sollte.

Die letzten Zweifel an einem materiefreien Raum räumte erst Albert Einstein mit der speziellen Relativitätstheorie aus. Gäbe es einen Äther, würde man abhängig davon, in welche Richtung man sich durch ihn bewegt, eine unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit verzeichnen. Doch verschiedene Experimente ergaben, dass sich Licht immer gleich schnell ausbreitet – ob man sich auf eine Lichtquelle zu- oder von ihr wegbewegt, spielt dabei keine Rolle. Ab diesem Zeitpunkt war klar: Anders als Schall benötigen elektromagnetische Wellen keinen materiellen Träger.

Somit lagen Leukipp und Demokrit vor etwa 2500 Jahren näher an der Wahrheit als die Verfechter der Ätherhypothese. Die heute wohl geläufigste Vorstellung des Vakuums ist ein völlig leerer Raum – was allerdings nur stimmt, solange man die allgegenwärtigen Felder vernachlässigen kann. Sobald man aber genauer hinsieht, machen diese sich bemerkbar. In äußeren elektromagnetischen Feldern verhält sich das Vakuum beispielsweise wie ein polarisierbares Medium, das unter anderem Licht bricht. Sind die angelegten Felder stark genug, könnten sogar Teilchen aus dem Nichts entstehen! …

Dezember 2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Dezember 2019

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  • Quellen

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