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FAQ 045 E-mail
Was versteht man unter "Quantenschaum"?

Ehrlich gesagt, ganz glücklich mit dieser Bezeichnung bin ich nicht, denn man ist geneigt, hierbei an etwas 'Klassisches' zu denken wie "schäumendes Seifenwasser", jedoch wäre diese Illustration der eigentlichen Verhältnisse nicht hundertprozentig korrekt.

 

Bevor man anfängt darüber zu rätseln, was dieser Begriff bedeuten könnte und man sich womöglich eine falsche Vorstellung davon macht, möchte ich Sie gleich auf die richtige Position bringen: Mit der Beschaffenheit des etwas saloppen Fachausdruckes "Quantenschaum" versucht man die Struktur des sogenannten Quantenvakuums auf dem Niveau der Planck-Skala (10-35 m, als Grenze für die Anwendbarkeit der bekannten Gesetze der Physik) zu beschreiben. Leider ist dieser Begriff in Wirklichkeit etwas irreführend, denn hier geht es nicht um ein 'schaumartiges' Gebilde, sondern damit beschreibt man qualitativ vielmehr die sogenannten Turbulenzen der Raumzeit auf der Planckschen Skala, d. h. auf dieser Skala haben wir mit einer wild fluktuierenden Geometrie der Raumzeit zu tun.

 

Wie kommt man auf diese verrückte Idee, die sich kein Mensch vorstellen kann? Fluktuationen der Geometrie…? Quantisch…?

 

Gehen wir der Sache Schritt für Schritt nach:

 

Wir haben gesehen – siehe z. B. FAQ 012 – daß das Quantenvakuum nicht leer ist und alles andere als ein ruhiger Ort. Es ist ein hochkomplexes Gebilde, das von virtuellen Teilchen und ihren Antiteilchen bevölkert ist (Quantenfluktuationen). Sowohl die Anwesenheit dieser Teilchen und ihrer Antiteilchen als auch die Quantenfluktuationen, die sie durch ihre 'Unruhe' verursachen, werden von der Quantenmechanik geradezu erzwungen. In diesem Quantenvakuum entstehen virtuelle Teilchenpaare, die nach einer bestimmten Zeit wieder verschwinden. Und jetzt kommt unsere gute Heisenbergsche Unschärferelation der Quantentheorie (formuliert als Energie-Zeit-Unschärfe): Ihre Wirkung auf Quantenebene gestattet, daß der Energieerhaltungsatz bei der Erzeugung und Vernichtung der Teilchen und Antiteilchen für eine extrem kurze Zeit verletzt wird. Das heißt, sowohl die Teilchen/Antiteilchen als auch die Energie existieren für kurze Zeit, ohne daß sie gegen irgendwelche Gesetze verstoßen. Da es sich hierbei um eine Energie-Zeit-Unschärfe handelt, kann man sich folgendes Szenarium vorstellen: Je größer die Energie ist, d. h. je schwerer die Teilchenpaare sind, umso kürzer ist die Zeitspanne ihrer Existenz. Handelt es sich um sehr schwere virtuelle Teilchenpaare, dann folgt aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, daß auch der umgebende Raum (die Raumzeit eigentlich) sich krümmen muß, und zwar genau so wild und chaotisch, wie diese Teilchenpaare erzeugt werden (Raumzeit-Quantelung). Das Ergebnis sind die besagten (Quanten)Fluktuationen der Raumzeit-Geometrie, die der Physiker Quantenschaum nennt. Es ist eine wilde Rasterung der Raumzeit, die einer sehr holprigen und rauhen Struktur aufweist – sie ähnelt sehr stark einer Landschaft mit unendlich vielen Tälern, Bergen, Schluchten und tiefen Löchern, die ihrerseits nicht statisch bleiben, sondern ihre Form mit den Quantenfluktuationen nach Belieben ändern. Es kommt aber auch vor, daß zwischen den Plankschen "Bergen" sich sogar ein Tunnel als Verbindungsstück bildet.

 

Ergänzend möchte ich noch auf etwas aufmerksam machen: Bisher gibt es nur wenige überzeugende Indizien für die Existenz dieses Quantenschaums. Vielleicht sind unsere Meßverfahren noch ziemlich rudimentär, wer weiß. Eine Methode, um die Rauhigkeit der Raumzeit auf Planck-Ebene nachzuweisen, wäre z. B. mit Hilfe von hochenergetischen Photonen. Diese Lichtteilchen müßten in der Lage sein, den Quantenschaum bzw. die Rauhigkeit der Raumzeit in Abhängigkeit ihrer Energie deutlich spüren. Das "Auf und Ab" bzw. das "Hin und Her" müßte dazu führen, daß sie im Verlauf ihrer Trajektorie (z. B. in Richtung Erde) Energie verlieren. Auf diese Idee kam Floyd Stecker vom Goddard Space Flight Center der NASA und der Physiknobelpreisträger Sheldon Glashow. Die Wirkung des Quantenschaums müßte auf hochenergetische kosmische Gamastrahlung nachweisbar sein. Diese Strahlungsart wird von supermassiven Schwarzen Löchern abgestrahlt. Gammastrahlung oberhalb einer bestimmten Energiegrenze kollidiert im Universum mit infraroten Photonen. Bei diesem Prozeß wird die Gammastrahlung gemeinsam mit den infraroten Photonen zerstört und es entstehen Elektron-Positron-Paare. Und jetzt kommt es: Der Quantenschaum müßte die Geschwindigkeit der hochenergetischen Gammastrahlung so weit herabsetzen, daß die gegenseitige Zerstörung der Gammastrahlungs-Teilchen und der Photonen nicht stattfindet, somit würden auch keine Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen, denn diese brauchen ja zu ihrer Erzeugung eine exakt abgestimmte Energiemenge, die bedingt durch die Rauhigkeit der Raumzeit für den besagten Prozeß nicht immer zur Verfügung stünde. Stecker analysierte die Gammastrahlung der beiden Galaxien Markarian 421 und Markarian 501. In der Mitte beider Galaxien sitzt jeweils ein supermassives Schwarze Loch, das hochenergetische Gammastrahlen in Richtung Erde schickt. Sein Ergebnis: Er fand keine Hinweise auf die Existenz des Quantenschaums.

 

Kleiner Einschub:

Das Quantenvakuum ist von besonderer Relevanz für die Quantenkosmologie (Wellenfunktion eines geschlossenen Universums). Mit den Grundlagen der mikroskopischen Quantentheorie führt man eine Interpolation auf die Ebene des Kosmos durch, indem man zu einem Formalismus mit Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren gelangt, in dem nun nicht mehr Teilchen, sondern ganze Universen erzeugt und vernichtet werden. Daraus gewinnt man die Voids (Vakuum-Universen; diese sind großskalige Leer- oder Hohlräume im Universum - Quantenfeldtheorie mit freiem Wheeler-DeWitt-Operator) oder Baby-Universen (nichtlinearer Wheeler-DeWitt-Operator). Großräumig gesehen ist das Universum nicht homogen, sondern weist eine Wabenstruktur auf. Die Voids sind quasi das leere Innere der Waben und haben einen Durchmesser zwischen 50 bis 100 Mpc (Megaparsec); damit stellen sie die größten Inhomogenitäten im Universum dar. Und wo sitzen die Galaxien, Galaxienhaufen und Galaxiensuperhaufen? An den Wabenrändern natürlich. Bei diesem Thema haben wir mit Begriffen wie Multiversum, virtuelle Universen zu tun. Unser Universum könnte sich aus einem dieser entstandenen mikroskopischen Universen über den Prozeß der Inflation gebildet haben. Dieser Mechanismus ist bis heute nicht völlig verstanden.

 


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Part of the inhumanity of the computer is that, once it is competently programmed and working smoothly, it is completely honest.


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Doctor Jes˙s Alejandro de la Fuente Moreno