Quantenschaum

Quantenschaum ist ein Begriff aus der Physik, der bildhaft beschreibt, was passiert, wenn man die zwei großen Theorien der Physik, die Quantentheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie, auf einem extrem kleinen Maßstab von 10^–35 Metern (so genannte Planck-Länge) anwendet. Hier würden permanent kleine Blasen in der Raumzeit entstehen und wieder zusammenfallen. John Archibald Wheeler gab diesem Phänomen den zuerst salopp gemeinten Namen Quantenschaum, der aber später Einzug in die Fachliteratur fand (engl. Quantum foam oder auch Spacetime foam).

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„Das Vakuum blubbert“

Quanteneffekte mischen die Raumzeit bei kleinen Abständen zu Quantenschaum auf. Denn im Quantenvakuum herrscht ein wildes Treiben. Aus der Sicht der Quantentheorie ist nämlich das Vakuum nicht leer, sondern angefüllt mit virtuellen Teilchen.

Die Grundlage dieses Vorgangs ist die Heisenbergschen Unschärferelation der Quantentheorie. Demnach gibt es eine Beziehung zwischen Energie E und Zeit t . Diese beiden Größen sind gemäß der nachstehenden Formel nicht gleichzeitig beliebig genau festgelegt:

wobei das Plancksche Wirkungsquantum ist und . Ein Teilchen mit der Energie E kann für eine Zeit existieren und dann wieder verschwinden.

Das kurzzeitige Entstehen virtueller Teilchenpaare (aus jeweils einem Materieteilchen und einem Antimaterieteilchen) nennt man Vakuumfluktuation. Die Heisenbergsche Unschärferelation gestattet dabei, dass für kurze Zeit der Energieerhaltungssatz verletzt wird. Für hinreichend kurze Zeiten können Teilchen mit beliebig großer Energie bzw. Masse (m₀ = E / c²) entstehen. Je größer die benötigte Energie, also je schwerer die Teilchenpaare sind, umso kürzer ist der Zeitraum ihrer Existenz. Denn nach der Quantentheorie kann sich das Universum in gewisser Weise Energie 'borgen'. Je mehr Energie dabei geliehen wird, umso schneller muss sie zurückgezahlt werden. Dies alles geschieht in zeitlichen Größenordnungen von Milliardstel Milliardstel Milliardstel Sekunden.

„Und so wird Schaum daraus“

Die entstehenden und vergehenden Teilchen kann man bereits Quantenschaum (engl. quantum foam) nennen. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) krümmen die Teilchenmassen jedoch auch die umgebende Raumzeit. Das Resultat ist ein Durcheinander, das manchmal mit dem Begriff Raumzeitschaum bezeichnet wird. Der Raum ist nicht mehr glatt, sondern ein wildes Gekrissel, für das die Gleichungen der Allgemeinen Relativität nicht mehr gelten.

Ein Ausweg aus diesem Dilemma könnte die Entwicklung einer Quantengravitationstheorie sein, die Quantentheorien und die Allgemeine Relativitätstheorie vereint.

Schaum in der Kosmologie?

Die sich bildenden „Blasen“ aus Quantenschaum könnten nach einer spekulativen Vorstellung der Quantenkosmologie ganze Mini-Universen sein, die durch die Inflationsära zu großskaligen Makro-Universen aufgebläht wurden. Die meisten dieser Blasen dürften jedoch „geplatzt“ sein: es wird vermutet, dass nicht bei jeder die Inflationsphase starten könne.