Nullpunktsenergie

Die Nullpunktsenergie eines quantenmechanischen Systems ist die Energie seines Grundzustands, der niedrigste Eigenwert des Energieoperators.

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Sie kann als Konsequenz der Heisenbergschen Unschärferelation aufgefasst werden, welche besagt, dass der Impuls und der Ort eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau festgelegt sein können.

Beispiel: Der quantenphysikalische harmonische Oszillator hat das Energiespektrum

,

wobei das plancksche Wirkungsquantum und ω die Kreisfrequenz des Oszillators bezeichnet. Auch im energetisch niedrigsten Zustand, dem Grundzustand mit n = 0 existiert somit eine von Null verschiedene Energie .

Die Nullpunktsenergie ist damit auch die Energie des Systems am absoluten Temperaturnullpunkt. Obwohl einleuchtend scheint, dass mit immer weiterer Abkühlung alle Bewegungen „einfrieren“, bleibt dennoch eine quantenphysikalische Restbewegung, welche die Nullpunktsenergie ausmacht.

Die Nullpunktsenergie ist durch direkte thermische Messungen nicht nachweisbar, da diese nur Energiedifferenzen erfassen. Indirekt kann die Nullpunktsenergie jedoch durch den Vergleich bestimmter chemisch-physikalischer Konstanten von Isotopen nachgewiesen werden. Der direkte experimentelle Nachweis gelang 1928 durch die Bestimmung der Temperaturabhängigkeit von Röntgeninterferenzen.

Im speziellen Fall der Quantenfeldtheorie heißt die Nullpunktsenergie Vakuumenergie, da sie die Energie des leeren Raums beschreibt.