Vakuum

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Glasglocke mit Kolben-Vakuumpumpe für Schulversuche

Als Vakuum wird in der Physik die weitgehende bzw. vollständige Abwesenheit von Materie in einem gegebenen Raum bezeichnet, die mit technischen Mitteln allerdings nur näherungsweise erzielt werden kann. Umgangssprachlich spricht man auch von einem weitgehend luftleeren Raum. Die Frage, ob ein absolut leerer Raum grundsätzlich denkbar ist, wurde schon in der Antike von den griechischen Philosophen diskutiert. Eine neuere Definition nach der DIN-Norm lautet:

„Vakuum heißt der Zustand eines Gases, wenn in einem Behälter der Druck des Gases und damit die Teilchenzahldichte niedriger ist als außerhalb oder wenn der Druck des Gases niedriger ist als 300 mbar, d. h. kleiner als der niedrigste auf der Erdoberfläche vorkommende Atmosphärendruck“

– DIN 28400 Teil 1 (Mai 1990): Vakuumtechnik; Benennungen und Definitionen; Allgemeine Benennungen.

Druckbereiche des Vakuums

Je nach dem herrschenden Restdruck wird zwischen einem Grobvakuum, einem Feinvakuum und einem Hoch- oder Ultrahochvakuum unterschieden.

Einordnung anhand der Druckbereiche
Einteilung des Vakkuums nach Druckbereichen Druck in hPa (mbar) Moleküle pro cm³ mittlere freie Weglänge
Normaldruck 1013,25 2,7 · 1019 68 nm
Unterdruck > 300 > 1019 < 0,1 µm
Grobvakuum 300…1 1019…1016 0,1…100 μm
Feinvakuum 1…10−3 1016…1013 0,1…100 mm
Hochvakuum (HV) 10−3…10−7 1013…109 100 mm…1 km
Ultrahochvakuum (UHV) 10−7…10−12 109…104 1…105 km
extrem hohes Vakuum (XHV) < 10−12 < 104 > 105 km
Ideales Vakuum (IV) 0 0

Definition des Vakuums in der Quantenfeldtheorie

Nach der Definition der Quantenfeldtheorie ist das Vakuum der Zustand mit der geringstmöglichen Energie. Ein absolutes Vakuum bzw. ideales Vakuum ist praktisch nicht erreichbar, sondern ist ein rein theoretisches Konzept. Einen völlig leeren Raum gibt es nicht. Aufgrund der quantenmechanisch bedingten Unschärferelation verbleibt auch bei tiefsten Temperaturen eine gewisse Nullpunktsenergie. Die Vakuumenergie bzw. die Vakuumenergiedichte LaTeX: \rho_{vac} ist daher stets größer Null. Durch sogenannte Vakuumfluktuationen bzw. durch die Vakuumpolarisation werden beständig virtuelle Teilchen erzeugt und wieder vernichtet. Dabei handelt es sich aber nicht um materiell fassbare Teilchen. Dennoch haben sie messbare Wirkungen, wie z.B. die Lamb-Verschiebung, durch die die entarteten Energieniveaus des Wasserstoffatoms aufgespalten werden.

„Wenn nun ein Physiker käme und sagen würde, daß gewisse Dinge innerhalb der physikalischen Forschung zwingen zu denken, daß ein solcher Zusammenhang der Naturkräfte angenommen werden müsse, durch den als möglich sich erweist, daß ohne die Voraussetzung eines materiellen Weltenäthers die Lichtstrahlen durch den Raum geleitet würden? Oder wenn dieser Physiker sagen würde, es müsse aus gewissen Tatsachen heraus heute schon angenommen werden, daß die Lichtwellen sich ohne einen materiellen Träger durch den Raum fortpflanzen? Und wenn dieser Physiker weiter sagen würde: Nun ja, das verstößt zwar gegen jede Art mechanischer Naturerklärung, aber wenn die physikalischen Tatsachen dieses herausfordern, dann ist eben die mechanische Naturanschauung rettungslos verloren. - Und wenn er dann noch weiter ginge und sagte: Was ist dann an die Stelle dessen zu setzen, was so lange als der Weltenäther von der Wissenschaft im materialistischen Sinne angenommen worden ist? Dann ist an dessen Stelle etwas zu setzen, dem vor allen Dingen keine materielle Eigenschaft zugeschrieben werden muß. An die Stelle dieses Weltenäthers ist nun etwas sehr Merkwürdiges zu setzen. - Und ich muß es immer wieder und wieder betonen: Im Sinne der heutigen Physik ist an die Stelle des Weltenäthers etwas sehr Merkwürdiges zu setzen. Nämlich an die Stelle des Äthers, der bisher das Licht durch den Raum fortpflanzen sollte, sollen nun gesetzt werden im mathematischen Sinne reine Gleichungen. Das sind Gedanken, Gedankengebilde. Und was sich da fortsetzt im Sinne von Gedankengebilden, das soll sich nicht durch Materie, sondern - wie man gelehrt sagt - durch das Vakuum, durch den leeren Raum fortsetzen. Das wird in bezug auf das Licht, das an keinen materiellen Stoff gebunden ist, als notwendig durch die Physik bezeichnet.

Wenn das vor einiger Zeit jemand gesagt hätte, in der Zeit der materialistischen oder monistischen Hochflut, so hätte man wahrscheinlich vorausgesetzt, das sei auch so ein vertrackter Vertreter einer geistigen Weltanschauung, denn nur ein solcher könne behaupten, daß das Licht ohne einen materiellen Träger durch den Raum fließt. Aber das hat kein Mystiker gesagt, das ist auch nicht in einer Versammlung gesagt worden, wo man den Leuten alles mögliche auftischen kann, sondern das ist von dem Physiker der Berliner Universität, Max Planck, im September 1910 auf der 82. Naturforscherversammlung in Königsberg gesagt worden[1].“ (Lit.:GA 61, S. 15f)

Wahres und falsche Vakuum

Ein Skalarfeld φ (das die physikalische Position repräsentiert) in einem falschen Vakuum. Die Energie E im falschen Vakuum ist höher als die im wahren Vakuum oder Grundzustand, aber es gibt eine Barriere, die das Feld daran hindert, klassisch in das wahre Vakuum hinunterzurollen. Daher muss der Übergang zum wahren Vakuum durch die Erzeugung von hochenergetischen Teilchen oder durch quantenmechanisches Tunneln angeregt werden.

In der Quantenfeldtheorie wird zwischen einem wahren Vakuum und einem hypothetischen falschen Vakuum unterschieden. Ein falsches Vakuum existiert bei einem lokalen Energieminimum und ist daher nicht stabil, sondern bloß metastabil.[2] Es kann sehr lange in diesem Zustand bleiben, bis es schließlich durch einen sog. Vakuumzerfall in einen stabilen energieärmeren Zustand übergeht. Im Gegensatz dazu existiert ein wahres Vakuum bei einem globalen Energieminimum und ist daher stabil. Der gängigste Vorschlag, wie ein solcher Übergang stattfinden könnte, wird als Blasennukleation bezeichnet. Wenn eine kleine Region des Universums zufällig in ein stabileres Vakuum übergeht, würde sich diese stabile „Blase“ (auch „Bounce“ genannt) weiter ausbreiten.[3][4]

Literatur

Einzelnachweise

  1. Max Planck: Die Stellung der neueren Physik zur mechanischen Naturanschauung, in: Max Planck, Klaus-Dieter Sedlacek (Hrsg.): Wege zur Physikalischen Erkenntnis, S. 42ff.
  2. Vacuum decay: the ultimate catastrophe (en-AU) (13. September 2015).
  3. Fate of the false vacuum. II. First quantum corrections. In: Phys. Rev.. D16, Nr. 6, 1977, S. 1762–68. bibcode:1977PhRvD..16.1762C. doi:10.1103/physrevd.16.1762.
  4. Tommi Markkanen et al., Cosmological Aspects of Higgs Vacuum Metastability
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