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News: Die Kraft aus dem Nichts

Von nichts kommt nichts, glaubt der Volksmund zu wissen. Aber wieder einmal sind Physiker da anderer Meinung. Und wieder ist es ein Effekt aus der Quantentheorie, der im Widerspruch zu dem gesunden, makroskopischen Menschenverstand steht. Nach der Theorie sollen sich nämlich zwei Metallplatten in einem Vakuum gegenseitig anziehen, wobei die dazugehörige Kraft buchstäblich aus dem Nichts entspringt. Schon letztes Jahr wurde die Gültigkeit dieser Aussage experimentell bestätigt. Nun haben Wissenschaftler sogar zeigen können, daß die Kraft tatsächlich so stark ist, wie vorhergesagt.
Der Inbegriff der Leere – das Vakuum – ist aus der Sicht eines Physikers alles andere als leer. Selbst am absoluten Nullpunkt der Temperaturskala ist der Raum erfüllt von elektromagnetischen Wellen, die deshalb als Nullpunktenergie bezeichnet werden. Träger dieser Energie sind virtuelle Photonen, die spontan entstehen und vergehen. Bei Zusammenstößen mit Materie können sie ihren Impuls auf das Teilchen übertragen, wovon wir in unserer makroskopischen Welt jedoch nichts merken, da jeder sichtbare Körper ständig von unzähligen Teilchen gleichzeitig getroffen wird, die ihn alle in verschiedene Richtungen schubsen. In der Summe heben sich die Stöße gegenseitig auf, so als sei nichts – oder zumindest so gut wie nichts – geschehen.

Der niederländische Physiker Hendrik Casimir ersann im Jahre 1948 ein Experiment, mit dem die Nullpunktenergie dennoch nachzuweisen sein sollte. Sein Versuchsaufbau ist im Prinzip recht einfach gestaltet, doch die Umsetzung ist so schwierig, daß er selbst heute, 50 Jahre später, nur ansatzweise realisiert werden kann. Casimir dachte sich zwei vollständig reflektierende Metallplatten, die in einem Abstand von etwa einem Mikrometer aufgebaut werden. Dadurch entsteht zwischen den Platten ein schmaler Spalt, in dem nur bestimmte elektromagnetische Wellen – und damit auch nur bestimmte Photonen – vorkommen können. Aus dem großen Sammelsurium der virtuellen Teilchen, welche um die Platten herum auftauchen, kommen also nur wenige im Spalt vor. Dementsprechend prallen von innen weniger Photonen gegen das Metall als von außen, und die Platten werden durch diesen leichten Unterschied zusammengeschoben.

Bis heute vermögen Wissenschaftler nicht, zwei Metallplatten hinreichend gut zu produzieren und zu positionieren, um den Casimir-Effekt mit Hilfe des Original-Aufbaus zu messen. Stattdessen führen sie vereinfachte Experimente durch, in denen sie zum Beispiel eine Metallkugel einer Platte annähern. Umar Mohideen und Anushree Roy von der University of California in Riverside benutzten dafür ein atomares Kraftmikroskop. Damit maßen sie die Anziehungskraft zwischen ihrer Metallplatte und der Aluminium-ummantelten Kugel, die in weniger als einem Mikrometer Abstand darüber hing. Nachdem sie alle experimentellen Ungenauigkeiten, wie zum Beispiel die mangelnde Reflexion durch die Platte und die Raumtemperatur während der Messung, berücksichtigt hatten, stellten sie fest, daß die ermittelte Casimirkraft nicht einmal ein Prozent vom theoretisch zu erwartenden Wert abwich. Mohideen meint sogar: "Wir sind zuversichtlich, daß wir die Genauigkeit noch um den Faktor 1000 steigern können" durch Verwendung einer größeren Kugel, die zudem gekühlt wird.

Doch noch gibt es einige mathematische Details, die zu klären sind. Steven Lamoreaux von den Los Alamos National Laboratories, der mit einer anderen Methode als erster die Größe des Casimir-Effektes gemessen hat (Physical Review Letters vom 6. Januar 1997, Abstract), überlegt beispielsweise, ob die Korrekturen, die Mohideen und Roy vorgenommen haben, überhaupt bei so geringen Distanzen zwischen den Oberflächen gültig sind. Und davon hängt schließlich die Aussagekraft der Ergebnisse ab.

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