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Die Kraft aus dem Nichts

Eine verallgemeinerte Streutheorie auf Basis der Quantenoptik erlaubt es, den Casimir-Effekt für beliebige disjunkte Objekte zu berechnen.

  • Astrid Lambrecht
  • 09 / 2016 Seite: 51

Zwei Platten, die durch eine mikrometerbreite Lücke im Vakuum voneinander getrennt sind, spüren eine anziehende Kraft. Sie ist nach dem niederländischen Physiker Hendrik Casimir benannt, der ihre Existenz bereits 1948 vorhersagte. Doch wie kann eine Kraft zwischen zwei neutralen Platten entstehen, wenn dort Vakuum herrscht und diese Kraft weder durch Gravitation noch Elektrostatik zustande kommt?

Hendrik Casimir leitete diese unerwartete Kraft ab, als er die Energieänderung eines elektromagnetischen Feldes in Anwesenheit zweier Platten abschätzte und deren Abstand variierte. [1]. Seine Arbeit lieferte die Grundlage für unzählige Folgearbeiten über den Casimir-Effekt. Die zunächst verwandte formale Vorgehensweise bot allerdings nur begrenzte Einsicht in den zugrundeliegenden Mechanismus oder ein physikalisches Verständnis der Casimir-Kraft. Entsprechend galt sie lange vor allem als theo­retische Kuriosität, obwohl Casimirs Arbeit zweifelsohne bahnbrechend war. Aktuell lebt das Interesse an dem grundlegenden Quanteneffekt wieder auf, der zudem in modernen physikalischen Experimenten und technischen Apparaturen zu berücksichtigen ist.

Hier möchte ich einen ergänzenden Blickwinkel auf den Casimir-Effekt vorstellen, der auf der Streutheo­rie elektromagnetischer Felder und auf Methoden aus der Quantenoptik beruht. Während die Casimir-Kraft zunächst als widersinnig erschien, weil sich zwischen den Platten nichts befindet, ist ihr Ursprung heute gut verstanden: Sie entsteht, wenn Vakuumfluktuationen räumlich eingeschlossen bzw. zwischen zwei Objekten gestreut werden. Zwischen den Platten befindet sich nicht etwa nichts, sondern ein quantenmechanisches Vakuum, das durchaus physikalische Effekte zeigt.

In der Quantenmechanik weisen alle Felder – insbesondere elektromagnetische – Fluktuationen um einen Mittelwert auf. Selbst ein perfektes Vakuum am absoluten Temperaturnullpunkt enthüllt fluktuierende Felder. Bei diesen Vakuumfluktuationen handelt es sich um elektromagnetische Felder, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen wie jedes andere freie Feld. Sie haben eine mittlere Energie, die der Hälfte der Energie eines Photons pro Feldmode entspricht. Da sich Vakuum­fluktuationen im Raum ausbreiten und eine mittlere Energie transportieren, üben sie auf die Oberflächen der Platten einen Druck aus – wie ein Fluss, der gegen ein Schleusentor drückt. Dieser Vakuum­strahlungsdruck wächst mit der Energie, also der Frequenz, des Vakuumfeldes. (...)

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