Quantenfluktuation - was ist das?

Quantenfluktuation - das versteht man darunter

Dieser Artikel soll Ihnen in möglichst allgemein verständlicher Form ein Thema nahebringen, das zur modernen Physik gehört und den Vorstellungen aus der Alltagswelt zu widersprechen scheint:

• Quantenfluktuation, auch Vakuumfluktuation genannt, bezeichnet die Fähigkeit des Raums, scheinbar aus dem Nichts Teilchen und deren Antiteilchen zu erzeugen.
• Grundlage für diese quantenmechanische Möglichkeit der Teilchenerzeugung ist die heisenbergsche Unschärferelation, die in Energieform etwa so formuliert werden kann: Die Energieunschärfe multipliziert mit der Zeitunschärfe muss in einem kleinen Raumvolumen stets kleiner als eine Naturkonstante sein, dem (sehr winzigen) planckschen Wirkungsquantum. Diese Unschärferelation ist eine unmittelbare Konsequenz des Welle-Teilchen-Dualismus und gilt streng für alle Elementarteilchen.
• Quantenfluktuationen treten auf, wenn sich ein Teilchen-Anteilteilchen-Paar für einen kurzen Augenblick bildet, ohne diese Unbestimmtheitsrelation zu verletzen. Salopp gesagt, "borgt" sich das Paar für extrem kurze Zeit Energie aus, um nach der Masse-Energie-Äquivalenz von Einstein zu entstehen. Wenn sie sich nicht blitzschnell trennen, zerstrahlen sie dann auch sofort wieder.

Wo treten Quantenfluktuationen auf?

Dieses Phänomen der modernen Quantenphysik findet natürlich im atomaren Bereich statt und macht sich in Ihrem Alltag im Allgemeinen nicht bemerkbar. Die Quantenfluktuation ist besonders extremen Situationen vorbehalten:

• Eine Konsequenz der Quantenfluktuation ist beispielsweise, dass es ein absolutes Vakuum nicht geben kann. Stets entstehen auch im sog. leeren Raum ständig Teilchen-Antiteilchen-Paare (und vergehen wieder). Einen experimentellen Beweis finden Sie im Casimir-Effekt, bei dem nahe liegende Metallplatten im Vakuum Kräfte aufeinander ausüben.
• Auch die Entstehung von Teilchen in der Nähe von Schwarzen Löchern, genauer an ihrem Schwarzschild-Radius, kann mit Quantenfluktuationen erklärt werden. So kann einem der beiden Teilchen die Flucht aus dem Schwarzen Loch gelingen, wenn zufällig ein Raumbereich um diesen Radius von der Teilchenentstehung betroffen ist.
• Und auch die Entstehung des Weltalls im Urknall wird in einem Modell als Quantenfluktuation angesehen.