imported>Bleckneuhaus: Änderungen von ~2025-31648-9 (Diskussion) auf die letzte Version von Stueckl zurückgesetzt

2025-08-02T17:28:50Z

Änderungen von ~2025-31648-9 (Diskussion) auf die letzte Version von Stueckl zurückgesetzt

Neue Seite

[[Datei:Tomonaga.jpg|mini|hochkant|Pionier der Vakuumfluktuation [[Shin’ichirō Tomonaga]] (1965)]]

'''Vakuumfluktuation''' bzw. '''Quantenfluktuation''', '''Vakuumpolarisation''' und '''virtuelles Teilchen''' sind Begriffe aus der [[Quantenfeldtheorie]]. Sie bezeichnen bestimmte mathematische Ausdrücke, die in den Summanden einer [[Reihe (Mathematik)|Reihe]] auftauchen, wenn eine [[Energie]] oder eine [[Störungstheorie (Quantenmechanik)#Übergangsrate in erster Ordnung („Fermis Goldene Regel“)|Übergangsamplitude]] mit den Mitteln der quantenmechanischen [[Störungstheorie (Quantenfeldtheorie)|Störungstheorie]] berechnet wird. Zwecks besserer Veranschaulichung beschreibt man diese Ausdrücke so, als ob die darin vorkommenden [[Erzeugungs- und Vernichtungsoperator#Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren in Quantenfeldtheorien|Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren]] und weitere [[Multiplikation #Namensgebung|Faktoren]] für wirklich in der Zeit ablaufende Prozesse stünden. Gelegentlich wird diese Sprechweise aus der quantenmechanischen [[Energie-Zeit-Unschärferelation]] heraus begründet in dem Sinne, dass sie für unbeobachtbar kurze Zeit erlaubt seien.<ref>{{Literatur |Autor=J. R. Aitchison |Titel=Nothing`s plenty. The vacuum in modern quantum field theory |Sammelwerk=Contemporary Physics |Band=26 |Auflage=4. |Verlag=Tailor and Franzis |Datum=2006-08 |Seiten=333-391 |DOI=10.1080/00107518508219107}}</ref> Zu beachten ist, dass mit ''Vakuum'' in diesem Zusammenhang nicht der von jeglicher Materie und Energie entleerte Raum gemeint ist, sondern der [[Zustand (Quantenmechanik)|quantenmechanische Zustand]] niedrigst möglicher Energie ([[Grundzustand]]). Als [[Energieeigenzustand]] zeigt er keinerlei beobachtbare zeitliche Veränderung, insbesondere keine zeitliche Fluktuation. Dass er der Zustand niedrigst möglicher Energie ist, bedeutet hier, dass man z. B. kein wirklich nachweisbares Teilchen (oder Energiequant) daraus entfernen kann.

Die in ähnlichem Zusammenhang oft auftauchenden Begriffe ''Nullpunktsschwingung'' und ''[[Nullpunktsenergie]]'' bezeichnen hingegen oft eindeutig beobachtbare Tatsachen wie z. B. messbar veränderte Reaktionsenergie. Diese beruhen auf der in der Quantenphysik gültigen [[Heisenbergsche Unschärferelation|Orts-Impuls-Unschärferelation]].

== Begriffsentstehung in der Quantenfeldtheorie ==
In der Physik versteht man unter [[Fluktuation]] die zufällige Änderung einer näherungsweise konstanten Systemgröße. In diesem Sinne ist jedoch die Vakuumfluktuation ''nicht'' zu verstehen. Das [[Vakuum]] ist in Raum und Zeit gleichmäßig und ändert sich überhaupt nicht.<ref name="NeuM1">{{Internetquelle |autor=Arnold Neumaier |url=https://www.physicsforums.com/insights/physics-virtual-particles/ |titel=The Physics of virtual particles |datum=2016-03-28 |abruf=2017-01}}</ref>

In den [[Störungstheorie|störungs-theoretischen]] Formeln der [[Quantenfeldtheorie]] von [[Werner Heisenberg]] und [[Wolfgang Pauli]] treten [[Unendlichkeit]]en auf, die von [[Richard Feynman]] und [[Julian Seymour Schwinger]] 1948 und etwas früher von [[Shin’ichirō Tomonaga]] durch die mathematische Methode der [[Quantenelektrodynamik#Renormierung|Renormierung]] aufgelöst wurden. Im Zusammenhang mit den dabei entstehenden Summanden entwickelten die Physiker die Vorstellung von Wolken aus virtuellen Teilchen, welche die Teilchen der klassischen [[Elektrodynamik]] (wie [[Elektron]]en oder [[Photon]]en) umgeben. In dieser Vorstellung können virtuelle Teilchen unter Verletzung des [[Energieerhaltungssatz]]es in einem unbeobachtbar kurzen Zeitraum real sein, bevor sie sofort wieder absorbiert werden. Durch die entstehende Fluktuation der Eigenschaften dieser Teilchenwolke verändern sich die in allen Prozessen in Erscheinung tretende Masse und Ladung der Teilchen. Somit ist diese Fluktuation in den [[Observable|beobachtbaren]] Teilchen wie Elektronen oder Photonen bereits enthalten und kann niemals isoliert betrachtet werden. Diese virtuellen Teilchen sind somit theoretische Konstrukte und haben ''keine'' reale physikalische Bedeutung. Die Vakuumfluktuation ist insbesondere nicht mit der [[Paarbildung (Physik)|Paarbildung]] zu verwechseln, die nur bei realer Energiezufuhr erfolgt und zwei reelle Teilchen erzeugt.<ref>{{Internetquelle |autor=Hendrik van Hees |url=http://th.physik.uni-frankfurt.de/~hees/publ/lect.pdf |titel=Introduction to Relativistic Quantum Field Theory |datum=2016-02 |seiten=127 ff. |format=PDF |abruf=2017-02}}</ref>

Mit der Nutzung des Begriffs Vakuumfluktuation setzt sich der Mathematiker Arnold Neumaier in einem Forumsbeitrag kritisch auseinander. Er betont, dass die Verwendung von [[Vakuumerwartungswert]]en kein Anhaltspunkt für Vakuumfluktuationen sind, da diese Erwartungswerte in allen Berechnungen auftreten werden, solange sie in einer störungstheoretischen Einstellung durchgeführt werden. In nicht störungstheoretischen Studien von Quantenfeldtheorien auf dem [[Gittereichtheorie|Gitter]] habe niemand die geringste Spur von Vakuumfluktuationen gesehen.<ref>{{Internetquelle |autor=Arnold Neumaier |url=https://www.physicsforums.com/insights/vacuum-fluctuations-experimental-practice/ |titel=Vacuum Fluctuations in Experimental Practice |datum=2017-01-19 |abruf=2019-01-31}}</ref>

== Vakuumfluktuation in der experimentellen Praxis der Physik ==
1946 wurden die ersten Effekte, die der bis dahin nur theoretisch diskutierten Vakuumpolarisation zugeschrieben wurden, in Messungen beobachtet: die [[Landé-Faktor#Anomale g-Faktoren des Spins|Anomalie des magnetischen Moments des Elektrons]] und die Aufspaltung zweier Niveaus des H-Atoms ([[Lamb-Verschiebung]]). Seitdem gibt es mehr und mehr physikalische Experimente, die für sich in Anspruch nehmen, die Vakuumfluktuation gemessen zu haben. Einige der Experimente sind im Folgenden aufgeführt.

=== Der Casimir-Effekt ===
Vielfach wird der [[Casimir-Effekt]] (Anziehungskräfte zwischen parallelen Metallplatten) als Beweis dafür angesehen, dass Vakuumfluktuationen bzw. virtuelle Teilchen eine eigenständige physikalische Bedeutung haben.

[[Robert L. Jaffe]] zeigte 2005 jedoch, dass diese Effekte durch [[Störungstheorie (Quantenmechanik)|quantentheoretische Störungsrechnung]] auch ''ohne'' Vakuumfluktuationen hergeleitet werden können.<ref>R. L. Jaffe: ''Casimir effect and the quantum vacuum.'', ''Physical Review'' D, 2005, 72. Jg., Nr. 2, S. 021301. {{arXiv|hep-th/0503158}}</ref> Der Casimir-Effekt ergibt sich dabei bereits aus der [[Van-der-Waals-Wechselwirkung]] für Platten unendlicher Ausdehnung und [[Leitfähigkeit]]. Auch [[Joseph Cugnon]] hat vorgeschlagen, die Ursache des Casimir-Effekts eher mit der Van-der-Waals-Wechselwirkung zu erklären.<ref>Joseph Cugnon: ''The Casimir Effect and the Vacuum Energy: Duality in the Physical Interpretation.'' In: ''Few-Body Systems.'' 53.1-2 (2012), S. 181–188. [http://orbi.ulg.ac.be/jspui/bitstream/2268/137507/1/238.pdf ulg.ac.be] (PDF)</ref>

=== Dynamischer Casimir-Effekt ===
Aus der [[Quantenfeldtheorie]] hat der Physiker Gerald T. Moore 1970 hergeleitet, dass virtuelle Teilchen, die sich in einem Vakuum befinden, real werden können, wenn sie von einem Spiegel reflektiert werden, der sich fast mit [[Lichtgeschwindigkeit]] bewegt.<ref>{{Literatur |Autor=Gerald T. Moore |Titel=Quantum Theory of the Electromagnetic Field in a Variable-Length One-Dimensional Cavity |Datum=1970-09 |bibcode=1970JMP....11.2679M}}</ref> Er wurde später auch dynamischer Casimir-Effekt genannt.

2008 zeigten Haro und Elizalde jedoch, dass dieser Effekt eher auf [[thermische Emission]] zurückzuführen sei.<ref>{{Literatur |Autor=Jaume Haro, Emilio Elizalde |Titel=Black hole collapse simulated by vacuum fluctuations with a moving semitransparent mirror |Datum=2008-02 |arXiv=0712.4141 |DOI=10.1103/PhysRevD.77.045011}}</ref>

2011 hat ein Team von schwedischen Wissenschaftlern der [[Technische Hochschule Chalmers|Chalmers University of Technology]] die Idee eines schnell rotierenden Spiegels umgesetzt, indem sie ein [[SQUID]] fast auf den [[Absoluter Nullpunkt|Nullpunkt]] abkühlten und es mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes vibrieren ließen. Dabei entstanden messbare [[Photon]]en, deren Energiespektrum symmetrisch war zur halben [[Frequenz]] des oszillierenden fiktiven Spiegels. Daraus schlossen die Forscher, den dynamischen Casimir-Effekt gemessen zu haben.<ref>{{Literatur |Autor=P. Delsing, F. Nori, T. Duty, J. R. Johansson, M. Simoen |Titel=Observation of the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit |Sammelwerk=Nature |Band=479 |Nummer=7373 |Datum=2011-11 |ISSN=1476-4687 |Seiten=376–379 |arXiv=1105.4714 |DOI=10.1038/nature10561}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Rüdiger Vaas |url=http://www.wissenschaft.de/archiv/-/journal_content/56/12054/1558239/%E2%80%9EVon-Nichts-kommt-nichts%22,-hei%C3%9Ft/ |titel=Von nichts kommt nichts |datum=2012-01 |abruf=2011-11}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Maike Pollmann |url=http://www.spektrum.de/news/licht-aus-vakuum-erzeugt/1129099 |titel=Licht aus Vakuum erzeugt |datum=2016-11 |abruf=2017-01}}</ref>

=== Messungen mit sehr kurzen Laserimpulsen ===
2015 haben Physiker an der [[Universität Konstanz]] nach eigener Aussage Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes direkt nachgewiesen. Mit einem sehr kurzen Laserpuls im Bereich einer [[Femtosekundenlaser|Femtosekunde]] wurden Effekte gemessen, die sich die Wissenschaftler nur mithilfe von Vakuumfluktuationen erklären können.<ref>{{Internetquelle |autor=C. Riek, D. V. Seletskiy, A. S. Moskalenko, J. F. Schmidt, P. Krauspe, S. Eckart, S. Eggert, G. Burkard, A. Leitenstorfer |url=https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/handle/123456789/31877/Leitensdorfer_0-301750.pdf?sequence=1&isAllowed=y |titel=Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations |format=PDF |abruf=2017-01}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=http://www.weltderphysik.de/gebiet/theorie/quanteneffekte/vakuumfluktuationen/ |titel=Vakuumfluktuationen |offline=1 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20170121044507/http://www.weltderphysik.de/gebiet/theorie/quanteneffekte/vakuumfluktuationen/ |archiv-datum=2017-01-21 |abruf=2017-01}}</ref> Leitenstorfer und Kollegen kommen zu dem Schluss, dass die beobachteten Effekte von [[Virtuelle Teilchen|virtuellen Photonen]] ausgelöst wurden.

=== Messungen supraleitender Bereiche in kondensierter Materie ===
[[Quantenphasenübergang|Quantenphasenübergänge]] treten in [[Kondensierte Materie|kondensierter Materie]] auf, wenn beim absoluten [[Temperaturnullpunkt]] nicht temperaturartige physikalische Parameter wie [[Druck (Physik)|Druck]], die chemische Zusammensetzung oder ein [[Magnetfeld]] variiert werden. Der jeweilige Phasenübergang (zum Beispiel der Übergang von einem [[Isolator (Elektrotechnik)|Isolator]] in einen [[Supraleiter]]) wird dabei, nach Aussage der Forscher, von Quantenfluktuationen und nicht von thermischen Fluktuationen ausgelöst.<ref>{{Literatur |Autor=Thomas Vojta |Titel=Quantum Phase Transitions |Sammelwerk=Computational Statistical Physics |Verlag=Springer |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2002 |ISBN=3-642-07571-1 |Seiten=211-226 |arXiv=cond-mat/0309604 |DOI=10.1007/978-3-662-04804-7_13}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=T. R. Kirkpatrick, D. Belitz |Titel=Quantum Phase Transitions in Electronic Systems |Sammelwerk=Electron Correlation in the Solid State |Verlag=Imperial College Press |Datum=1999-01-02 |Seiten=297-370 |arXiv=cond-mat/9707001v2 |DOI=10.1142/9781860944079_0005}}</ref> Forscher der [[Bar-Ilan-Universität]] untersuchten extrem dünne Schichten eines Niob-Titan-Stickstoff-Supraleiters in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Mittels eines [[SQUID]] wurde festgestellt, dass sich die supraleitenden Bereiche mit der Zeit verändern, also zeitlich und räumlich fluktuieren. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten bei der Entwicklung von [[Quantencomputer]]n nützlich sein.<ref>{{Literatur |Autor=A. Kremen, H. Khan, Y. L. Loh, T. I. Baturina, N. Trivedi, A. Frydman, B. Kalisky |Titel=Imaging quantum fluctuations near criticality |Sammelwerk=nature physics |Band=14 |Datum=2018-08-20 |Seiten=1205–1210 |arXiv=1806.10972 |DOI=10.1038/s41567-018-0264-z}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Bar-Ilan University, 21.08.2018 – NPO |Titel=Quantenfluktuationen sichtbar gemacht |Sammelwerk=scinexx |Verlag=MMCD NEW MEDIA |Ort=Düsseldorf |Datum= |Online=https://www.scinexx.de/news/technik/quantenfluktuationen-sichtbar-gemacht/ |Abruf=2021-03-15}}</ref>

=== Messungen an Gravitationswellendetektoren ===
2020 berichteten Wissenschaftler mittels [[LIGO]] erstmals Auswirkungen von Quantenfluktuationen auf makroskopische Objekte menschlicher Größenordnung gemessen zu haben – auf die Bewegung 40kg-schwerer Spiegel der LIGO-Observatium-Interferometer-Detektoren. Ziel der Untersuchungen ist die Verbesserung der Empfindlichkeit von [[Gravitationswellendetektor]]en, die zur Messung von [[Gravitationswellen]] [[gequetschtes Licht]] verwenden. Durch die Korrelation von [[Schrotrauschen]] und einem postulierten Quantenrauschen (im Artikel mit QRPN = „'''q'''uantum '''r'''adiation '''p'''ressure '''n'''oise“ bezeichnet), konnte die Empfindlichkeit der Detektoren verbessert werden, woraus die Forscher die direkte Messung von Quantenfluktuationen schlussfolgern.<ref>{{Literatur |Autor=Yu Haocun, L. McCuller, M. Tse, N. Kijbunchoo, L. Barsotti, N. Mavalvala |Titel=Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO |Sammelwerk=Nature |Band=583 |Nummer=7814 |Datum=2020-07 |ISSN=1476-4687 |Seiten=43–47 |Sprache=en |arXiv=2002.01519 |DOI=10.1038/s41586-020-2420-8 |PMID=32612226}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://phys.org/news/2020-07-quantum-fluctuations-jiggle-human-scale.html |titel=Quantum fluctuations can jiggle objects on the human scale |werk=phys.org |sprache=en |abruf=2021-03}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Nadja Prodbregar |Titel=Quantenrauschen bewegt auch uns |Sammelwerk=Scinexx Das Wissensmagazin |Verlag=MMCD New Media |Ort=Düsseldorf |Datum=2020-07 |Online=https://www.scinexx.de/news/technik/quantenrauschen-bewegt-auch-uns/ |Abruf=2022-12-01}}</ref>

=== Messungen der magnetischen Anomalie des Myons ===
Seit langem vermessen Physiker das [[Anomales Magnetisches Moment|anomale magnetische Moment]] von Elementarteilchen. Bei den Messungen für das [[Myon]] sind im April 2021 Abweichungen zu den Vorhersagen des Standardmodells gefunden worden. Anlässlich der gefundenen Differenzen wurde der Wert für das Myon mit [[Supercomputer]]n, basierend auf dem Standardmodell, neu berechnet. Ein Anteil des anomalen magnetischen Moments wird im englischen Artikel mit [[Vakuumpolarisation|''hadronic-vacuum-polarization'']] bezeichnet.<ref>{{Literatur |Autor=B. Abi et al. |Titel=Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=126 |Nummer=14 |Datum=2021-04 |Sprache=en |arXiv=2104.03281 |DOI=10.1103/PhysRevLett.126.141801}}</ref> In diesem Zusammenhang sprechen die Forscher, die den Anteil der hadronischen Vakuumpolarisation (LO-HVP) neu berechnet haben, wie auch [[Josef M. Gaßner]] von Vakuum- oder Quantenfluktuationen.<ref>{{Literatur |Autor=Sz. Borsanyi, Z. Fodor, , J. N. Guenther, C. Hoelbling, S. D. Katz, Lellouch, T. Lippert, K. Miura, , L. Parato, K. K. Szabo, F. Stokes, B. C. Toth, Cs. Torok, L. Varnhorst |Titel=Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD |Sammelwerk=nature |Band=593 |Datum=2021-04-07 |Seiten=51-55 |arXiv=2002.12347 |DOI=10.1038/s41586-021-03418-1}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Josef M. Gaßner, München |url=https://www.youtube.com/watch?v=Ep0Fq7Cj2Nw |titel=Muon g-2 Experiment |abruf=2021-04}}</ref>

== Begriffsverwendung in physikalischen Lexika ==
In verschiedenen Artikeln wird Vakuumfluktuation unter Annahme von [[Nullpunktsenergie]], die auch Vakuumenergie genannt wird, gelegentlich hergeleitet aus der Unschärferelation zwischen Zeit und Energie.

Dabei wird manchmal der Eindruck vermittelt, dass diese Fluktuationen physikalische Effekte auslösen könnten.<ref>{{Internetquelle |autor=Henning Genz, Karlsruhe |url=http://www.spektrum.de/lexikon/physik/vakuum/15034 |titel=Vakuum – 3.6 Fluktuationen |abruf=2017-01}}</ref> So werden Vakuumfluktuationen als Beleg dafür angeführt, dass das quantenmechanische Vakuum ''nicht'' im klassischen Sinne „leer“ ist. Auch werden Vakuumfluktuationen gelegentlich als mögliche Erklärung für die [[Dunkle Energie]] angesehen, jedoch unterscheiden sich die errechneten Werte um den Faktor 10<sup>120</sup> (Problem der [[Kosmologische Konstante|Kosmologischen Konstante]]).

== Literatur ==
* [[Ian J. R. Aitchison]]: ''Nothing`s plenty. The vacuum in modern quantum field theory'', Contemporary Physics, Band 26, 1985, S. 333–391 [https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/00107518508219107?needAccess=true]
* [[Kimball Milton]] (Hrsg.): ''The Casimir Effect'', World Scientific 2001
* [[Peter W. Milonni]]: ''The quantum vacuum. An introduction to quantum electrodynamics'', Academic Press 1994
* [[Johann Rafelski]], [[Berndt Müller]]: ''The structured Vacuum – thinking about nothing.'' Harri Deutsch, 1985; [http://www.physics.arizona.edu/~rafelski/Books/StructVacuumE.pdf physics.arizona.edu] (PDF; 1,1 MB)
* Andreas Müller: [http://www.spektrum.de/astrowissen/lexdt_q03.html#qv ''Quantenvakuum''.] Astrowissen

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Quantenmechanik]]
[[Kategorie:Atomphysik]]

Vakuumfluktuation - Versionsgeschichte

imported>Bleckneuhaus: Änderungen von ~2025-31648-9 (Diskussion) auf die letzte Version von Stueckl zurückgesetzt