Vakuumfluktuation

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In der Quantenfeldtheorie erscheint das Vakuum als ein dynamisches Medium, in dem ständig Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen und wieder verschwinden. Weil diese Teilchen nicht permanent existieren, nennt man sie Virtuelle Teilchen, Vakuumfluktuation, Fluktuation der Vakuumenergie, oder auch Quantenfluktuation und Nullpunktsfluktuation.

Da die Teilchen sich sehr schnell wieder vernichten, ist die für ihre spontane Erzeugung notwendige Energie über die Heisenbergsche Unschärferelation gedeckt. Diese sieht vor, dass der Energieerhaltungssatz um eine Energiemenge ΔE für einen Zeitraum Δt verletzt werden kann, solange das Produkt aus ΔE und Δt nicht größer oder gleich einer bestimmten Konstanten, nämlich dem Planckschen Wirkungsquantum geteilt durch 4π, ist. Gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie kann ein Teilchen von einer bestimmten Masse für einen begrenzten Zeitraum spontan entstehen.

Wegen ihrer kurzen Lebensdauer und der Tatsache, dass ihre Existenz den Grundlagen (Energieerhaltung) der klassischen Physik widerspricht, werden derartige Teilchen auch virtuelle Teilchen genannt.

Prinzipiell sind nur Energiedifferenzen messbar, das heißt bei der Messung wird die Energie der Teilchen verändert. Weil dies aber für virtuelle Teilchen nicht der Fall ist, sind sie niemals direkt messbar. Vakuumfluktuationen äußern sich aber trotzdem indirekt, wie im Casimir-Effekt, in der Lambverschiebung von Spektrallinien im Atom, in der Hawking-Strahlung und der Vakuumpolarisation.

Vakuumfluktuationen verursachen konzeptionelle Schwierigkeiten in den Quantenfeldtheorien, da sie häufig zu Unendlichkeiten (Singularitäten) führen. Diese Schwierigkeiten werden normalerweise durch eine Prozedur umgangen, die Renormierung genannt wird. Für die Gravitation ist dies jedoch bisher nicht gelungen.