Das Gefüge der Raumzeit ist voller vibrierender Quantenfelder, bekannt als Vakuumenergie. Sie ist überall da, wo wir hinschauen. Aber könnten wir jemals etwas daraus gewinnen?
Wir können sogar die Stärke dieser Vakuumenergie berechnen. Wenn wir die Regeln der Quantenmechanik anwenden, um zu bestimmen, wie stark die Felder isoliert schwingen, erhalten wir … unendlich. Das ist richtig, es gibt eine unendliche Menge an Energie, die jedes Stück Raumzeit ausfüllt. Das liegt daran, dass es keine Begrenzung für die Menge an Schwingungen gibt, die diese Felder haben können. Kleine Schwingungen, mittlere Schwingungen und große Schwingungen treten alle gleichzeitig in jedem Quantenfeld auf.
Moment mal – wie können die Felder unendlich viel Energie haben und trotzdem noch genug Energie, um Teilchen zu erzeugen? Um diese Frage zu beantworten, können wir auf ein cleveres Experiment zurückgreifen, das der niederländische Physiker Hendrik Casimir entwickelt hat.
Wenn man zwei Metallplatten nimmt und sie ganz, ganz nah aneinander klebt, müssen sich die Quantenfelder zwischen diesen Platten auf eine bestimmte Weise verhalten. Die Wellenlängen ihrer Schwingungen müssen perfekt zwischen die Platten passen, genau wie die Schwingungen einer Gitarrensaite ihre Wellenlängen an die Länge der Saite anpassen müssen. Im Quantenfall gibt es immer noch eine unendliche Anzahl von Schwingungen zwischen den Platten, aber es gibt nicht so viele unendliche Schwingungen zwischen den Platten wie außerhalb der Platten.
Mithilfe einiger raffinierter mathematischer Tricks können wir die beiden Unendlichkeiten subtrahieren und erhalten eine endliche Zahl. Das bedeutet, dass es außerhalb der beiden Platten tatsächlich mehr Quantenschwingungen gibt als innerhalb des Plattenkörpers. Daraus lässt sich schließen, dass die Quantenfelder außerhalb der Platten die beiden Platten zusammendrücken, was als Casimir-Effekt bezeichnet wird. Wir können diesen Effekt messen und nachweisen, dass die Quantenfelder tatsächlich existieren.
All diese Theorien und Experimente führen zu einer verblüffenden Schlussfolgerung. Die gesamte Physik der Welt, jede Interaktion, jeder Prozess und jede Handlung findet auf einer Bühne statt, die mit einer unendlichen Menge an Vakuumenergie gefüllt ist. So seltsam dieses Bild auch ist, es ist das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung zur Quantentheorie.
Im Moment haben wir keine Möglichkeit, auf diese Energie zuzugreifen und etwas Nützliches damit zu tun. Das liegt daran, dass es sich um den niedrigsten Energiezustand im Universum handelt. Um Arbeit zu erledigen, müssen Energieunterschiede vorhanden sein. Man muss Energie von einem Ort beziehen, sie umwandeln und an einem anderen Ort ablegen.
Wir können keine Energie aus dem Vakuum ziehen, weil es für die Vakuumenergie keinen tieferen Ort gibt. Es ist, als würde man versuchen, einen Aufzug über das unterste Stockwerk eines Gebäudes hinaus zu bringen – er hält im Erdgeschoss an, weil es darunter keine weiteren Stockwerke gibt.
Beim Casimir-Effekt mussten wir dem System zunächst Energie zuführen, um die Platten zusammenzufügen. Wenn die Platten anfangen, sich zu bewegen, bekommen wir einfach die Energie zurück, die wir zugeführt haben, ohne dass ein Nettogewinn an Energieproduktion entsteht.
Im Science-Fiction-Universum gibt es viele Ideen, die die Nutzung von Vakuumenergie zum Antrieb von Raumschiffen oder anderen fortschrittlichen Antriebsarten vorschlagen. Obwohl diese Ideen der etablierten Physik zuwiderlaufen, müssen wir zugeben, dass wir die gesamte Physik nicht vollständig verstehen … insbesondere die Vakuumenergie. Der größte Hinweis darauf, dass wir etwas falsch machen, hat nichts mit subatomaren Maßstäben zu tun, sondern mit kosmischen.
In den späten 1990er Jahren entdeckten Astronomen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Die einfachste Erklärung für diese beschleunigte Expansion ist die Vakuumenergie des Universums. Da wir die Expansionsrate messen können, können wir daraus die Gesamtmenge der Vakuumenergie abschätzen und erhalten etwa 6 x 10-10 Joule pro Kubikmeter Raum.
Das ist … nicht unendlich. Wir haben also ein Problem. Einerseits haben wir eine Reihe subatomarer Berechnungen, Vorhersagen und Messungen, die uns sagen, dass es eine unendliche Menge an Vakuumenergie gibt. Andererseits haben wir eine kosmische Messung, die uns sagt, dass die Menge an Vakuumenergie wirklich, wirklich klein ist.
Was ist hier los? Wir haben keine Ahnung. Es ist eines der größten ungelösten Probleme der modernen Physik. Wenn wir einen Weg finden wollen, die Vakuumenergie zu nutzen, müssen wir zunächst verstehen, was sie wirklich ist. Was auch immer wir dort finden, es wird neue Arten der Physik beinhalten, und wer weiß, welche neuen Erkenntnisse uns diese Physik eröffnen wird.