Benutzer:BurningDaylight4u/Auswirkungen der Unschärferelation im Vakuum
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Benötigte Definitionen und Erläuterungen
In der Physik wird ein Zustand als Vakuum bezeichnet, wenn er keinerlei Teilchen und keine Strahlung enthält. Ein ideales Vakuum ist nicht herstellbar, da man immer Ränder hat. Ränder haben eine Tempereatur, welche wiederrum Strahlung erzeugt. Dennoch kann man in heutigen Laboratorien ein Vakuum erzeugen, das dem idealen Vakuum sehr nahe kommt.
Eine hier revelante Aussage der Unschärferelation besagt, dass sogar im idealen Vakuum immernoch Schwankungen (auchVakuumfluktuationen genannt) existieren, die dazu führen, dass ständig neue Teilchen und Antiteilchenpaare entstehen, die sich nach einer kurzen Lebensdauer (siehe weiter unten bei Virtuelle Teilchen) wieder zerstrahlen (Außnahme: Photon). Außerdem folgt aus der Unschärferelation untere anderem, dass der Ort und der Impuls eines Teilchens nicht beliebig genau messbar sind. Das unter diesem Gesichtspunkt betrachtete Vakuum betrachtet man als Quantenvakuum. Virtuelle Teilchen:
Die im Quantenvakuum entstehenden Teilchen heißen virtuelle Teilchen, weil sie in der Realität, welche von der konventionellen Physik beschrieben wird, nicht existent sind aber dennoch real (für kurze zeit) sein müssen.
Die Theroie, dass im Vakuum ständg Teilchen und ihre zugehörigen Antiteilchen entstehen und sich danach wieder zu Strahlung vernichten wurde durch viele Versuchsreihen bestätigt (in der Physik ist niemals etwas bewiesen). Die energie dafür wird dem nichts entzogen (nach E=mc²) und anschließend nach der kurzen Lebensdauer der Teilchen an das nichts zurückgegeben. Dieser Vakuumfluktuationen sind von der Haißenbergschen Unschärferelation gedeckt. Diel Lebensdauer der Virtuellen Teilchen lässt sich wie fölgt berechnen:
Delta E ist die Energie oder Auch masse (proportional und entsprechend nach E=mc²) des Virtuellen Teilchens.
Delta t ist die Existenzdauer der Teilchen. H ist das Plank'sche Wirkungsquantum. π ist die Kreiszahl.
Aufgrund ihrer kurzen lebensdauer und der Tatsache, dass sie den Grundsätzen der klassischen Physik widersprechen (verletzen den Energieerhaltungssatz) werden diese Teilchen auch Virtuelle Teilchen genannt. Viele Versuche konnten die Existenz dieser Teilchen bestätigen.
Ein solcher Versuch wurde von Hendrik Casimir 1948 vorhergesagt und 1958 von Marcus Spaarnay experimentell bestätigt. Dadurch konnte der Casimir Effekt gefunden werden. In einem nahezu idealen Vakuum hielt man zwei leitende Metallplatten nahe aneinander. Es lässt sich messen, dass hier eine Kraft von außen auf die Platte wirkt. Bei weiteren Versuchen konnte man ermitteln, dass diese Kraft mit der 4. Potenz zum Abstand zunimmt. Die virtuellen Teilchen die zwischen den Platten entstehen können aufgrund ihrer Bewegungsgleichungen außerhalb der beiden Platten jeden beliebigen Impuls
haben, wenn sie entstehen. Innerhalb der Platten hingegen könnnen sie nur die Energien annehmen, die Ihre Wellen in der Fluktuation zulassen. Da zwischen die beiden Platten nur bestimmte Wellen passen, können einige Teilchen nicht innerhalb der Platte entstehen, obwohl sie außerhalb entstehen können. Nun knallen die Virtuellen Teilchen von innerhalb und von Außen gegen die Platte (je nach bewegungsrichtung und Impuls). Da von außen mehr Teilchen dagegen die Platten stoßen, werden diese zusammengedrückt. Der Druck, der auf die Platten wirkt, kann durch folgende Formel beschrieben werden:
Dabei gilt:
- c: lichtgeschwindigkeitim Vakuum
- : Plancksches Wirkungsquantum
- : Kreiszahl
- : reduziertes Plancksches Wirkungsquantum
- d: Plattenabstand
Weitere Versuche und Effekte, die diese Theorie nicht falsifizierenn konnten, sind die Lambverschiebung der Spektallinien eines Atoms, die Hawking-Strahlung(unten genauer) und Vakuumpolarisation.
Die Vakuumpolarisation titt immer Dann auf, wenn man einem Eletron im Vakuum sehr nahe kommt. Dabei entstehen um das Elektron herum viele virtuelle Teilchen, die einem Näherkommen entgegenwirken.
Interessant wird es, wenn am Ereignishorizont Virtuelle Teilchen entstehen. Nehmen wir an es entsteht ein Photon und sein Antiteilchen. Dabei kann ein Teilchen entfliehen und das andere wird vom schwarzen Loch geschluckt und somit entgültig aus diesem Universum befördert. Da jedoch der Energieerhaltungssatz nur für sehr kurze Zeit verletzt werden darf, muss die Energie des Photons an das Nichts zurückgegeben werden. Vom entkommenden Photon kann allerdings keine Energie zurückgegeben werden, denn es wechselwirkt nicht mehr mit dem schwarzen Loch. Durch den Verlust seines Partners wurde es in ein reelles Photon umgewandelt. Dieses Photon ist in den Weltraum entflohen. Aber auch das vom schwarzen Loch eingefangene Photon kann seine Energie an das Vakuum nicht zurückgeben, denn es ist für immer aus dem Universum verschwunden. Also muß das schwarze Loch sich dazu bereit erklären, dem Vakuum seine Energie zurückzugeben, damit der Energieerhaltungssatz wieder zutrifft. In diesem Fall muß es die Energie des eingesogenen und des entkommenen Photons zurückgeben. Da es die Energie des eingesogenen Photons für sich gewinnen konnte, büßt es dennoch die Energie des entkommenden Photons ein. Durch diesen Energieverlust verliert es Masse in form von Hawking-Strahlung. Den Massenverlust kann man nach Einsteins Formel: E=mc² berechnen. Das schwarze Loch verdampft also. Da Photonen nicht nur Energie, sondern auch Impuls und Drehimpuls besitzen, behält das schwarze Loch nicht nur die Energie des eingefangenen Photons(die es dem Vakuum aber wieder zurückgeben mußte), sondern auch dessen Impuls und Drehimpuls. Dadurch, dass das reelle Teilchen entkommt, erscheint es einem äußeren Beobachter, als ob das schwarze Loch strahle. Das Spektrum der emittierten Teilchen entspricht genau dem Emissionsspektrum eines heißen Körpers. Dadurch gibt es keinen Verstoß gegen den 2. Hauptsatz der Thermodynamik (siehe Entropie). Stellen wir uns nun einmal vor, das schwarze Loch hätte beide der virtuellen Photonen verschluckt. Dann wäre gar nichts passiert. Das schwarze Loch hätte dann seine eigene Masse, seinen Impuls und seinen Drehimpuls behalten. Es gibt dabei aber ein Problem, welches bei kleinen schwarzen Löchern weniger auffällt als bei riesigen schwarzen Löchern, wie sie vermutlich im Zentrum von Galaxien und Quasaren(kompaktes, sehr helles und sehr weit entferntes Objekt) vorkommen. Dieses Problem erfaßt die negative kompensierende Masse. Ein Photon besitzt Energie und somit nach Einsteins Formel: E=mc² auch eine Masse. Die virtuellen Photonenpaare tauchen ja buchstäblich aus dem Nichts auf. Nachdem das schwarze Loch das eine Photon für sich berappt hat und das andere reell gewordene Proton ins Weltall entkommen ist, müsste sich daraus folgend die Gesamtmasse des Weltalls um die Massen der beiden getrennten Photonen vergrößern. Dies ist aber nur für die Lebensdauer des Photonenpaares zulässig und zwar für nur 1,4*10 hoch -25 Sekunden. Danach würden sich die Photonen wieder vernichten und ihre Energie bzw. Masse gehört wieder dem Vakuum. Aber dadurch, dass beide Photonen getrennt wurden,( das eine ist im schwarzen Loch, das andere nun im Weltall), ist die gegenseitige Vernichtung nicht mehr möglich. Also wird die Gesamtmasse des Universums für länger als für die Lebensdauer der Photonen größer. Das ist nach der Unschärferelation nicht zulässig. Es muß also irgendwo eine negative kompensierende Masse geben, die den Massenzuwachs ausgleicht. Aber wo befindet sich diese negative Masse? Bevor das eine Photon ins schwarze Loch eintritt, also noch für die Lebensdauer des Photonenpaares, können wir das überhauptnicht sagen. Hier stört das auch nicht, da die kurzzeitige Verletzung der Gesetze ja zulässig ist. Aber nach der Lebensdauer ist sie nicht mehr zulässig. Bis heute ist klar, dass sich die kompensierende negative Masse nach Eintritt des einen Photons ins schwarze Loch, ebenfalls im Innern des Loches befinden muss. Aber niemand weiß, wo sie sich dort befindet. Nichtmal ein Beobachter innerhalb des schwarzen Loches wäre dazu in der Lage. Das ist das Problem. Der Aufenthaltsort der negativen Masse ist nicht bekannt. Bewegt sich die negative Masse? Wenn ja, welche Bewegungsrichtung hat sie? Fliegt sie etwa in Richtung des eingefangenen Photons? Ist sie zeitgleich mit ihm ins schwarze Loch eingetreten? Nun wird auch klar, warum uns das bei riesigen schwarzen Löchern besonders stört. Stellen wir uns ein monströses Schwarzes Loch von Milliarden von Sonnenmassen vor, welches einen Schwarzschildradius von Milliarden Kilometern hat. Das Photon mit der Lichtgeschwindigkeit von etwa 300000 km/s würde nach Überschreiten des Ereignishorizontes Stunden brauchen, um sie Singularität zu erreichen. Wo befindet sich in diesen Stunden die negative kompensierende Masse? Die Frage steht. Wenn das Photon die Singularität erreicht hat, wird es vernichtet und die Masse ist wieder ausgeglichen. Es bleibt aber noch die überschüssige Masse des entkommenden Photons.
