Welche Energieform ist Vakuumenergie?
Hallo!
Ist Vakuumenergie Bewegungsenergie oder Feldenergie?
Lg
4 Antworten
Beispiel:
Ein Molekül aus zwei Atomen (z.B. O2): dieses hat einen gebundenen Zustand mit einem Energieminimum. Ziehe ich das Molekül auseinander oder stauche ich es zusammen, benötige ich Energie - es ist wie eine Feder.
Deshalb ist das Molekül ein "Federschwinger" oder besser "harmonischer Oszillator".
Bei einer klassischen Feder gibt es den Zustand mit E=0, nämlich jenen, wo die Feder ganz entspannt in der Ruhelage ruht.
In der Quantenmechanik ist das aber nicht möglich, denn das Unschärfeprinzip verbietet, dass Ort und Impuls gleichzeitig Null sind.
Der tiefstmögliche Energiezustand hat demnach nicht den Wert Null, da es eine gewisse Unschärfe für Ort und Impuls gibt, die "Feder" daher nicht ruht, was wiederum mit einer Grund-Energie verbunden ist, die nicht unterschritten werden kann.
Der Begriff Vakuumenergie bezieht sich immer auf Teilchen.
Diese Teilchen können materiell sein. Das O2 Molekül ist ein Beispiel.
Wendet man die Quantenmechanik auf das Teilchen an, so kommt man zur Quantisierung der Energiezustände.
In der Quantenphysik gibt es nun auch auch den Begriff "zweite Quantisierung", wo die Regeln der Quantenmechanik auf Felder angewandt werden. Man spricht dan von quantisierten Feldern bzw. Quantenfeldtheorien.
https://de.wikipedia.org/wiki/Zweite\_Quantisierung
https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenfeldtheorie
Statt p und x eines materiellen Teilchens quantisiert man hier zueinander konjugierte Feldgrößen.
Das Ergebnis ist, dass das quantisierte elektromagnetische Strahlungsfeld aus elementaren harmonischen Oszillatoren besteht, die jeweils in diskreten verschiedenen Anregungszuständen sein können: Jede Schwingungsmode der Frequenz ω hat dabei die diskreten Energiestufen
E(n) = n * ħ * ω ( n + ½ ) mit n=0, 1, 2, 3, ...
Erhöht man n um eins, so sagt man, die Mode erhält ein Photon. Photonen sind also die Quanten des EM Feldes.
Vom Vaakum spricht man hier, wenn sich das System in einen Zustand besfindet, wo alle Moden mit n=0 besetzt sind. Es befinden sich dann keine Photonen im Feld. Die Nullpunktsenergie ist hier bei n=0 und beträgt pro Mode
E(0) = ħ * ω / 2
Da es ja unendlich viele Frequenzen ω gibt, und jede die Nullpunksenergie besitzt, hätte das Vakuum unendliche Nullpunksenergie.
Dies führt zu erheblichen Schwierigkeiten in den Quantenfeldtheorien, was aber durch trickreiche Renormierungen eliminiert wird.
https://de.wikipedia.org/wiki/Renormierung
Fazit: der leere Raum ist nicht wirklich leer, er hat ja immer ein elektromagnetisches Feld in dem es selbst bei Null Photonen immer auch Fluktuationen gibt.
Das heißt Materie ist auch eine solche Anregung wie das Photon nur mit höherem n?
Und wie kommt man darauf, dass das Feld von alleine fluktuiert? Was heißt hier Fluktuation?
Als Materie werden umgangssprachlich Stoffe bezeichnen, die aus Atomen bestehen.
Diese beeinhalten wiederum Elektronen und Nukleonen. Während das Elektron ein Elementarteilchen ist, bestehen Nukleonen wiederum aus Quarks.
Hinter jeder Art vonElelementarteiclchen steht ein Materiefeld. Du hast vielleicht schon vom Welle-Teilchen Dualismus gehört. In der Quantenfeldtheorie wird zwischen Welle und Teilchen nicht mehr unterschieden:. Es gibt u.A. Felder für
- Photon: Photonenfeld (=elektromagnetisches Feld)
- Elektron: Elektronenfeld, beschrieben durch die Dirac-Gleichung. Elektronen sind die Quanten des Elektronenfeldes. Sie können als Paar von Teilchen/Antiteilchen erzeugt oder vernichtet werden.
- Quarks: Quarks sind die Quanten des Quarkfeldes
Zwischen den Elemenmtarteilchen gibnt es verschiedene Wechselwirkungen. Beschrieben wird diese u.A. durch
- Quantenelektrodynamik (Spin 1/2 Teilchen): Wechselwirkung zwischen Elektronen und Photonen (Elektromagnetismus)
- Quantenchromodynamik (Quarks), Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen
- Eichtheorie der schwachen Wechselwirkung (Vereinheitlichung von elektrischer und schwacher WW), Wechselwirkung zwischen Quarks untereinander, zwichen Quarks und Leptonen und Leptonen untereinander.
Und über die Gravitation wechselwirken alle diese Anregungen miteinander?
Was meinen sie mit Fluktuation?
Dass aus dem Nichts virtuelle Teilchen (als Teilchen/Antiteilchen Paar) entstehen und sehr schnell wieder verschwinden können. Diese Teilchen sind nur indirekt beobachtbar, tragen aber ganz ganz wesentlich zu bestimmten Prozessen bei.
https://de.wikipedia.org/wiki/Virtuelles\_Teilchen
Die Gravitation ist ein wirklich sehr schwieriges Kapitel, da es bisher keine erfolgreiche Quantenfeldtheorie dafür gibt. Sie ist im Standardmodell nicht enthalten.
Bei welchem Prozess nehmen die virtuellen Teilchen der Vakuumfluktuation z. B. Einfluss?
Kann man dadurch die Zufälligkeit bei der Radioaktivität erklären bzw. deuten?
Prozesse:
- https://de.wikipedia.org/wiki/M%C3%B8ller-Streuung
- https://de.wikipedia.org/wiki/Vakuumpolarisation
- https://de.wikipedia.org/wiki/Land%C3%A9-Faktor
Mit Radioaktivität hat das nicht direkt zu tun.
Von den beiden wohl am ehesten die kinetische Energie (Bewegungsenergie), aber wenn ichs richtig verstanden hab, ists eigentlich eher "generische Energie", also keine bestimmte Form...
Siehe auch: https://de.wikipedia.org/wiki/Nullpunktsenergie
So ganz versteh ichs auch (noch) nicht...
Aber es geht offenbar um eine Energiedifferenz zwischen einem "Nullzustand" und einem "Minimalzustand"...
Achtung! Der folgende Vergleich könnte im Grunde völliger Bullshtako sein, aber so wie ichs "verstehe" siehts ungefähr so aus:
Wenn ein Laptopakku mit Nennspannung 10V nach einer Tiefentladung noch 0.75mA hat und im gerade noch betriebsfähigen Zustand 2.5mA, dann hat dessen Nullpunktenergie (Vakuumenergie) irgendwas mit 25mW-7.5mW=17.5mW zu tun...
Ich hoff mal, dass das zumindest annähernd korrekt ist... Und seis nur als Metapher...
P.S.: Ich hasse Quantenmechanik... Oder auch nicht... Musst mal die Katze fragen... ;)
Feldenergie. Warum fällt ein Elektron aus einer angeregten höheren Umlaufbahn wieder in den Grundzustand? Es könnte doch ewig oben bleiben.
Im Vakuum sind das ( elektrische ) E_Feld so wie das magnetische B_Feld Null; und sein Energirinhalt ist auch Null. Das gilt aber nur für die Mittel-oder Erwartungswerte. In Wirklichkeit gelten für E_Feld, B_Frld und Energie auch Heisenbergsche Unschärfebeziehungen; diese drei Größen kannst du gar nicht gleichzeitig genau bestimmen.
Wenn du also weißt, die Vakuumenergie ist Null. Dann bleibt immer noch eine Unschärfe, ein Feldrauschen. Und diese Restfelder schmeißen das Elektron runter.
Aus dem Vakuum tauchen immer wieder kurzfristig Elektron_Positron_Paare auf; ein Kollege erklärte mir mal, dass genau diese ===> Vakuumpolarisation verantwortlich zeichnet für kovariante Bindung und van_der_Waals_Kräfte.
Wie kommt man darauf, dass die Unschärferelation beim Feld alleine wirkt, auch wenn es gar nicht als ein Elektron angeregt ist?
Ich verweise hier auf den Kommentar von Michi wien. Die ===> Matrizenmechanik ( siehe z.B. ===> Eugen Fi ck oder Gordon Baym ) beruht auf der Grund legenden Überlegung, dass Größen wie Energie, Impuls und Feldstärke keine Zahlen mehr sind, sondern eben Matrizen. Das Grundproblem: Bei Matrizen gilt das ===> Kommutativgesetz
A B = B A ( 1 )
nicht mehr. Aus den geometrischen Symmetrien eines QM Systems sucht man nun genau diese ===> Kommutatorbeziehungen herzuleiten. So sagt der Kommutator zwischen X und P etwas darüber aus, dass du nicht beide gleichzeitig messen kannst. Zu deiner Frage; wenn ich das Feld darstelle durch Matrizen. Dann muss ich mir über diese Kommutatoren Rechenschaft ablegen lange, bevor ich darüber nachdenke, ob dieses Feld von einem elektron erregt sein könnte. Im Fi ck ist dieses Matrixkonzept ganz gut erklärt.
Ein absolutes Vakuum gibt es nicht, allenfalls ein annäherndes.
Ein (mal eben gedachtes absolutes) Vakuum wäre absolute Leere, enthält also gar nichts, auch keine Energie, denn die wäre ja bereits wieder ein "etwas".
Was da wirkt, ist der Druck durch die das Vakuum umgebende Masse.
Das Guericke-Experiment mit den zwei Halbkugeln ist ein Beispiel dafür.
Ich hätte mir gedacht die QM gilt nur für Teilchen?
Warum sollte sie für den Raum selbst gelten?
Ist der Weltraum stabil wenn man alle Objekte entfernen würde?