Konstruktion einer Kosmologie aus dem Casimir-Effekt


Textmarken: Physikalische Grundlagen zum Casimir-Effekt,    Ist der Casimir-Effekt als Energiequelle nutzbar?    Wie wird der Casimir-Effekt gemessen?    Konstruktion einer kosmologischen Theorie aus dem Casimir-Effekt


Physikalische Grundlagen zum Casimir-Effekt

Der so genannte Casimir-Effekt der Quantenmechanik wurde von Hendrik Casimir 1948 vorhergesagt und 1958 von Marcus Spaarnay experimentell bestätigt.

Der Effekt ist eine direkte Folge der heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation, die besagt, dass die Energie zu einem festen Zeitpunkt nie exakt bestimmbar ist. Die Messwerte schwanken also in einem kleinen Bereich. Die gilt auch für das Vakuum. Auch hier treten messbare Fluktuationen auf.

Vakuumfluktuationen haben Auswirkungen und sind als solche experimentell nachgewiesen, etwa durch den hier beschriebenen Casimir-Effekt aber auch die Lambverschiebung von Spektrallinien im Atom. Sie stehen auch in Zusammenhang mit der Hawking-Strahlung von Schwarzen Löchern und der kosmologischen Konstante. Versuche, den Wert der kosmologischen Konstanten aus der Quantenfeldtheorie zu berechnen, sind allerdings bislang eklatant fehlgeschlagen.

Der Effekt zeigt, so die gängige Interpretation, dass überall im leeren Raum immer wieder Teilchen und Antiteilchen Paare entstehen und wieder vergehen. Materie und Anti-Materie neutralisieren sich gegenseitig. Da man die Teilchen nicht direkt beobachten kann, nennt man sie virtuelle Teilchen. Sie müssen berücksichtigt werden, wenn man z. B. die Kraft zwischen zwei Ladungen berechnen will, die sehr nahe beieinander liegen.

Vakuumfluktuationen verursachen konzeptionelle Schwierigkeiten in den Quantenfeldtheorien, da sie häufig zu Unendlichkeiten (Singularitäten) führen. Diese Schwierigkeiten werden normalerweise durch eine Prozedur umgangen, die Renormierung genannt wird. Für die Gravitation ist dies bisher noch nicht gelungen. Möglicherweise ein Hinweis auf  Inkonsistenzen im Theoriengebäude!

 

Ist der Casimir-Effekt als Energie-Quelle nutzbar?

Es handelt sich dabei, wie bereits oben gesagt, um Fluktuationen. Die virtuellen Teichen, so die Annahme, entstehen paarweise als Materie- und Antimaterie-Teilchen und vergehen wieder. Ein Nullsummenspiel, aus dem man nur einen Gewinn ziehen könnte, wenn es ohne Energieaufwand gelingt, die paarweise auftretenden Teilchen zu trennen und in getrennten Bereichen zu isolieren oder wenn die Teilchen sich nicht völlig neutralisieren (siehe unten).

 

Wie wird der Casimir-Effekt gemessen?

Im Experiment zum Casimir-Effekt werden im Vakuum zwei parallele Metallplatten extrem nahe nebeneinander gestellt (im Abstand von einigen Atom-Durchmessern). Zwischen den Platten können nur virtuelle Teilchen mit ganz bestimmten Energien entstehen. Der Grund für diese Beschränkung liegt darin, dass Teilchen auch als Wellen beschrieben werden können. Zwischen den Platten wird die Entstehung niederenergetischer Teilchen, deren Wellenlängen größer als der Plattenabstand ist, verboten. Außerhalb der Platten gibt es keine Beschränkung, es können dort also Teilchen aller Wellenlängen entstehen und somit mehr als zwischen den Platten. Dies sollte einen Druck von außen auf die Platten erzeugen, der die Platten zusammendrückt. Später wurde dieser Effekt auch quantitativ bestätigt (Steve Lamoreaux, Seattle, 1997; Umar Mohideen und Anushree Roy, Riverside 1998).

Die Casimir-Kraft Fc pro Fläche A für perfekt leitende Platten mit zwischenliegendem Vakuum ist:

{F_c \over A} = {\hbar c \pi^2 \over 240 \cdot d^4}

mit

\hbar: diracsche Konstante
c:    Vakuumlichtgeschwindigkeit
π:    Kreiszahl
d:    Abstand zwischen beiden Platten

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Casimir-Effekt

 

Konstruktion einer kosmologischen Theorie aus dem Casimir-Effekt

Wie oben bereits erwähnt, geht man beim Casimir-Effekt davon aus, dass sich die Materie-Antimaterie-Paare gegenseitig wieder neutralisieren. Aber angenommen, sie neutralisieren sich nicht vollständig, sondern es bleiben winzige, nur schwer nachweisbare Materieteilchen übrig, zum Beispiel die bisher kaum nachweisbaren Neutrinos, dann würde durch diesen kosmologischen Mechanismus ein kleiner Materieüberschuss generiert. Da diese Teilchen zufällig über den Raum verstreut sind, kommt es dort, wo sich mehr Teilchen angesammelt haben infolge der dort auftretenden stärkeren Gravitation zu einem Strudel und schließlich durch den Gravitationsdruck zu einer Verklumpung. In Sternen wird dann diese Materie wieder umgesetzt in Strahlung, Bewegung, d. h. in Energie. Mit dem Casimir-Effekt könnte ein unendlicher Raum an vielen Stellen gleichzeitig gefüllt werden und da die Materie wieder umgesetzt wird in Energie und Bewegung, wäre sie Teil eines Kreislaufs.  Dies wäre eine Erklärung dafür dass Materie ziemlich gleichmäßig über den gesamten uns bekannten Weltraum verteilt ist.

Bei einer Explosion wie dem Urknall wäre dies nicht der Fall. Da wäre das Explosionszentrum lokalisierbar. Dies gilt auch bei einer gleichzeitigen und gleichmäßigen Ausdehnung des Raumes.

Aus der Urknall-Theorie folgt ein endliches Universum. Das sich daraus ergebende Universum könnte Teil einer größeren unendlichen Wirklichkeit sein.

Die Urknalltheorie hat den "Schönheitsfehler", dass ein singulärer Effekt postuliert wird, aber dieser Effekt bisher nur einmal aufgetreten ist und das immerhin in 15 Milliarden Jahren.

Wenn vor dem Urknall nur das absolute Nichts existierte, dann war die Natur (Materie, Raum, ...) nicht da, also kann man kein notwendiges physikalisches Ereignis daraus konstruieren, da physikalische Erscheinungen in den Eigenschaften der Materie und / oder des Raumes angelegt sind. Die Entstehung müsste auf eine außerweltliche Ursache zurückgeführt werden.

Anders beim Casimir-Effekt. Hier gehört der Entstehungsprozess der Materie zu den physikalischen Eigenschaften unseres Universums. Auf einen gekrümmten Raum kann bei dieser Kosmologie verzichtet werden, aber nicht auf Gravitationsfelder, elektromagnetische Felder . . . Das Universum könnte auch zeitlich unbegrenzt existieren.

Das Problem, das heutigen Kosmologien anhaftet, ist, dass man, wie in der Philosophie üblich, versucht sich die Welt mit Logik zu erschließen. Die Kosmologen arbeiten mit kleinen Modellsystemen, die die Wirklichkeit nur bruchstückhaft abbilden. Sie packen ein Universum in den Computer, von dem wir nur einen Teil kennen. Sie machen Vorhersagen über einen Zeitraum von etlichen Milliarden von Jahren, aber können nicht sagen, wie das Wetter in zwei Monaten sein wird.


Inhalt

Index

weiter