Quantenschaum

Quantenschaum ist ein Begriff aus der Physik, der bildhaft beschreibt, was passiert, wenn man die zwei großen Theorien der Physik, die Quantentheorie und die allgemeine Relativitätstheorie, auf einem extrem kleinen Maßstab von 10^–35 Metern (so genannte Planck-Länge) anwendet. Hier würden permanent kleine Blasen in der Raumzeit entstehen und wieder zusammenfallen. John Archibald Wheeler gab diesem Phänomen 1955 den zuerst salopp gemeinten Namen Quantenschaum, der später Einzug in die Fachliteratur fand (engl. Quantum foam oder auch Spacetime foam).

Theorie

Quanteneffekte mischen die Raumzeit bei kleinen Abständen zu Quantenschaum auf. Aus der Sicht der Quantentheorie ist das Vakuum nicht leer, sondern angefüllt mit virtuellen Teilchen. Die Grundlage der Vorgänge im Quantenvakuum ist die Heisenbergsche Unschärferelation, insbesondere deren grundlegende Beziehung zwischen Energie $E$ und Zeit $t$. Diese beiden Größen sind gemäß der nachstehenden Formel nicht gleichzeitig beliebig genau festgelegt:

$\mathrm{\Delta }E\cdot \mathrm{\Delta }t\ge \frac{h}{4\pi }=\frac{\hslash }{2}$

wobei $h=\mathrm{6,626}1\cdot {10}^{-34}\mathrm{Js}$ das plancksche Wirkungsquantum ist und $\hslash =\frac{h}{2\pi }$.

Diese Beziehung besagt, dass Teilchen der Energie $E$ spontan entstehen können und für eine Zeit $\mathrm{\Delta }t<\hslash /E$ existieren, dann aber wieder verschwinden müssen.

Das kurzzeitige Entstehen virtueller Teilchenpaare bestehend aus jeweils einem Materieteilchen und einem Antimaterieteilchen nennt man Vakuumfluktuation. Die Heisenbergsche Unschärferelation gestattet dabei, dass für kurze Zeit der Energieerhaltungssatz verletzt wird. Für hinreichend kurze Zeiten können Teilchen mit beliebig großer Energie bzw. Masse ($m_0=E/c^2$) entstehen. Je größer die benötigte Energie, also je schwerer die Teilchenpaare sind, umso kürzer ist der Zeitraum ihrer Existenz. Denn nach der Quantentheorie kann sich das Universum in gewisser Weise Energie 'borgen'. Je mehr Energie dabei geliehen wird, umso schneller muss sie zurückgezahlt werden. Dies alles geschieht in zeitlichen Größenordnungen von 10⁻²⁷ Sekunden. Die entstehenden und vergehenden Teilchen kann man bereits Quantenschaum nennen. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie (ART) krümmen die Teilchenmassen jedoch auch die umgebende Raumzeit. Das Resultat ist ein Durcheinander, das manchmal mit dem Begriff Raumzeitschaum bezeichnet wird. Der Raum ist nicht mehr glatt, sondern ein wildes Gekrissel, für das die Gleichungen der allgemeinen Relativität nicht mehr gelten.

Ein Ausweg aus diesem Dilemma könnte die Entwicklung einer Quantengravitationstheorie sein, die Quantentheorien und die Allgemeine Relativitätstheorie vereint. Das neuere Modell der Schleifenquantengravitation beruht auf einem Spin-Schaum. Die sich bildenden „Blasen“ aus Quantenschaum könnten nach einer spekulativen Vorstellung der Quantenkosmologie ganze Mini-Universen sein, die durch die Inflationsära zu großskaligen Makro-Universen aufgebläht wurden. Die meisten dieser Blasen dürften jedoch „geplatzt“ sein: es wird vermutet, dass nicht bei jeder die Inflationsphase starten könne.

Nachweise für die Existenz des "Quantenschaums" gibt es bisher allerdings nicht. Es wurde versucht, den Einfluss des Quantenschaums auf kosmische Gammastrahlung nachzuweisen. Dazu wurde die Gammastrahlung der Galaxien Markarian 421 und Markarian 501 untersucht, aber keine Zeichen gefunden, die auf die Existenz des Quantenschaums hindeuten.^[1]

Einzelnachweise

Weblinks

• Quantenschaum - Video (2 min) - Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
• Spacetime foam - Video (1 min, engl. gesprochen)
• Lee Smolin: Quanten (-Gewebe) der Raumzeit (pdf) - Spektrum der Wissenschaft 2005