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Astronomie+Physik

Abscheu vor dem Nichts

Die Frage nach dem Vakuum fasziniert die Menschen seit Jahrtausenden. Physiker haben festgestellt, dass dieses Nichts notwendig „etwas“ enthält, und Kosmologen wollen die Entstehung von allem aus nichts erklären.

„Nothing is real“, heißt es in dem Beatles-Song „Strawberry Fields Forever“. In seinem Revolutionsdrama „Dantons Tod“ hingegen ließ Georg Büchner einen Protagonisten feststellen: „Die Schöpfung hat sich so breit gemacht, da ist nichts leer, alles voll Gewimmels.“ Was hier poetisch miteinander kollidiert, war schon zu Beginn der abendländischen Philosophie eine Streitfrage – und ist es, mit veränderten Vorzeichen und wechselnden Triumphen, in der Physik bis heute geblieben. Gibt es irgendwo – oder gab es irgendwann – eine Stelle im Universum oder einen Zustand vor ihm, wo absolut nichts ist beziehungsweise war?

„Die Frage nach dem leeren Raum ist wohl die älteste naturwissenschaftliche Frage, die noch heute die Physik beschäftigt“, sagt Henning Genz von der Universität Karlsruhe. Die Kontroverse begann schon vor 2500 Jahren bei den Vorsokratikern. Damals standen sich die Plenisten und die Atomisten unversöhnlich gegenüber. Erstere, etwa Empedokles, waren überzeugt: „Im All gibt es nirgends einen leeren Raum, noch einen, der übervoll wäre.“ Das war keine bloße Behauptung, sondern ließ sich empirisch begründen, wie Empedokles‘ Beobachtung mit der Klepshydra veranschaulichte (siehe Grafik „ Das Experiment des Empedokles“). Die Atomisten hingegen glaubten, dass ein Vakuum existiert – wenn auch nicht überall. „In Wirklichkeit gibt es nur die Atome und den leeren Raum“, war Demokrit überzeugt.

Bis weit über das Mittelalter hinaus dominierten die Plenisten mit der besonders von Aristoteles und seinen Schülern propagierten Auffassung, die Natur habe einen „Horror Vacui“, eine Furcht oder Abscheu vor dem Leeren. 1644 zeigte dann der italienische Physiker Evangelista Torricelli, angeregt von Galileo Galilei, dass es luftleeren Raum gibt: Er erfand das Quecksilber-Barometer und erkannte den Raum im abgeschlossenen Teil über der Quecksilbersäule als nahezu leer (siehe Grafik „Das Experiment von Torricelli“). Dieser Hohlraum ist unabhängig von Volumen, Form, Länge und Neigung des Quecksilberrohrs und muss ein Vakuum sein, weil Luft weder durch Glas noch durch Quecksilber dringen kann. Davon war freilich nicht jeder überzeugt – so spottete der französische Philosoph René Descartes, ein Vakuum sei allenfalls in Torricellis Kopf anzutreffen.

Weltberühmt wurde auch der Magdeburger Naturwissenschaftler Otto von Guericke, der ein Jahrzehnt später mit der von ihm erfundenen Kolbenvakuumluftpumpe die Luft zwischen zwei Kupferhalbkugeln absaugte (genauer: fast 99 Prozent der Luft). Die Halbkugeln konnten daraufhin von zwei Gespannen aus acht oder zehn Pferden auf beiden Seiten nicht mehr getrennt werden – fielen aber sofort auseinander, als die Luft wieder in das Vakuum zwischen ihnen eingelassen wurde. Dies ist allerdings weniger eine Eigenschaft des Vakuums als vielmehr des Drucks der umgebenden Luft. Doch das Experiment zeigte, dass Stoffe nicht vom Vakuum angesaugt, sondern vom Umgebungsdruck in das Vakuum hineingepresst werden.

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Im Lauf der nächsten zwei Jahrhunderte wurden die Pumpen so weit verbessert, dass sie einen Restdruck von weniger als einem Tausendstel Millibar erreichten. Sie waren um 1900 weit verbreitet und wurden beispielsweise bei der Herstellung von Glühlampen eingesetzt. Im 20. Jahrhundert wurden dann noch leistungsfähigere Pumpen erfunden, darunter die Turbomolekular-, Kryo- und Sorptionspumpen. Bei Letzteren werden verbliebene Gasteilchen an die Gefäßwände gebunden. Mit ziemlichem Aufwand lassen sich heute bis zu 10–13 Millibar erreichen. Das entspricht einer Dichte von wenigen Hundert Molekülen pro Kubikzentimeter.

An Weltraumbedingungen kommen aber auch die raffiniertesten Geräte noch nicht heran. Zwar ist das All nicht frei von Teilchen – durchschnittlich steckt in jedem Kubikmeter etwa ein Wasserstoff-Atom, in interstellaren Gaswolken können es 10 oder 100 sein –, doch kommt es einem „chemischen Vakuum“ schon recht nah: einem Raum frei von Atomen.

Allerdings sind selbst Raumbereiche ganz ohne Atomkerne und Elektronen nicht leer. Denn es gibt noch andere Arten von Materie – „Geisterteilchen“ wie die Neutrinos zum Beispiel, die kaum mit der uns vertrauten Materie wechselwirken. „Für sie ist die Erde einfach ein Ball, leicht zu durchdringen auf dem Weg durchs All“, reimte der amerikanische Schriftsteller John Updike. Tatsächlich schießen rund 66 Milliarden Neutrinos aus dem Sonneninneren in jeder Sekunde durch jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche – und durch die Menschen darauf –, ohne eine Spur zu hinterlassen. Sie wären selbst durch Lichtjahre dicke Bleimauern nicht aufzuhalten. Zahlreiche astronomische Messungen sprechen dafür, dass es noch andere Arten von so genannter Dunkler Materie gibt – Elementarteilchen, die sich wie die Neutrinos nicht durch elektromagnetische Strahlung bemerkbar machen.

Auch wenn man von der Dunklen Materie absieht, die viele Physiker in aller Welt zur Zeit mit raffinierten Messgeräten direkt nachweisen wollen, ist der Weltraum kein totaler Leerraum. Denn er ist von elektromagnetischen Feldern erfüllt und von der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Sie ist das Restleuchten des Feuerballstadiums vom Urknall und wurde durch die Ausdehnung des Universums stark ausgedünnt und abgekühlt. Doch noch immer durchfluten jeden Kubikzentimeter zirka 400 Photonen, und die Temperatur des Alls liegt knapp drei Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperaturskala (minus 273,15 Grad Celsius).

Aber elektromagnetische Felder lassen sich abschirmen. Und tiefere Temperaturen sind möglich: So haben Astronomen einen Ort entdeckt, den Bumerang-Nebel, 5000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Centaurus, der zwei Grad kälter ist als die Kosmische Hintergrundstrahlung. Ein extrem rascher Gasverlust seines Zentralsterns – die Geschwindigkeiten der Gas-Teilchen betragen bis zu 600 000 Kilometer pro Stunde – sorgt für den Kühleffekt. Doch die kälteste Stelle des bekannten Universums, nur 10–10 Grad über dem absoluten Nullpunkt, befand sich vor ein paar Jahren im Low Temperature Lab der Technischen Universität Helsinki: Dort wurden Atomkerne mit Magnetfeldern fast zum Stillstand gebracht (die Temperatur ist auch ein Maß für die Teilchenbewegung).

Ein völliges Vakuum herrscht freilich weder im Bumerang-Nebel noch in Helsinki. Es scheint absolut keinen Ort zu geben, selbst nicht im intergalaktischen Raum zwischen den Galaxienhaufen, an dem gar nichts ist. Doch im Gedankenexperiment können Physiker der Leere näher kommen und einen materie- und strahlungsfreien Raum beim absoluten Nullpunkt der Temperatur erforschen. Den Naturgesetzen zufolge ist selbst er nicht vollkommen leer. In der Natur scheint tatsächlich ein „Horror Vacui“ zu herrschen.

Schon 1948 haben der niederländische Physiker und spätere Nobelpreisträger Hendrik Casimir und Dik Polder, die beide am Philips Laboratorium in Eindhoven arbeiteten, die Existenz der so genannten Nullpunktstrahlung vorausgesagt, die mittlerweile experimentell bestätigt wurde. Die beiden Forscher erkannten, dass selbst ein scheinbar perfektes Vakuum von unvermeidlich vorhandenen winzigen Quantenfluktuationen erfüllt ist. Das folgt aus der Heisenberg’schen Unschärferelation von Energie und Zeit. Virtuelle Photonen und Teilchen-Antiteilchen-Paare durchwabern ständig den Raum. Sie tauchen plötzlich auf und verschwinden sofort wieder, ohne sich jemals einfangen zu lassen – eine spontane Paar-Entstehung und -Vernichtung. Physiker bezeichnen sie als „virtuell“ im Gegensatz zu den „realen“ Partikeln, die sich direkt nachweisen und manipulieren lassen.

„Was auf den ersten Blick wie eine totale Leere erscheint, ist in Wahrheit ein Bienenstock fluktuierender Geister, die in einem nicht vorhersagbaren ausgelassenen Reigen auftauchen und verschwinden“, beschreibt es der britische Physiker Paul Davies, Professor für Naturphilosophie an der University of Sydney.

Das ist keine waghalsige Spekulation, sondern experimentell nachgewiesen. So stoßen virtuelle Photonen beispielsweise Elektronen auf atomaren Kreisbahnen an, was kleine, aber messbare Unterschiede der jeweiligen Energieniveaus hervorruft. Diese als Lamb-Shift bekannte Energieverschiebung in atomaren Spektren wurde 1947 von dem amerikanischen Physiker Willis Eugene Lamb (Nobelpreis 1955) und seinem Doktoranden Robert C. Retherford beim Wasserstoff entdeckt und lässt sich nur quantenphysikalisch erklären.

Die Nullpunktstrahlung macht sich auch in Form des so genannten Casimir-Effekts bemerkbar (siehe Grafik „Der Casimir-Effekt“): Wenn zwei für elektromagnetische Strahlung undurchlässige Platten im Vakuum parallel ausgerichtet werden, so dass zwischen ihnen nur ein Bruchteil eines Millimeters Abstand ist, dann erfahren sie eine schwache elektromagnetische Kraft, die eine geringfügige Anziehung der Platten bewirkt. Der Effekt ist winzig: Bei zwei parallelen, vollkommen reflektierenden Flächen von einem Quadratmeter Größe in einer Distanz von einem Hundertstel Millimeter entspricht die Anziehungskraft gerade einmal der eines Teilchens mit einem Millionstel Gramm Masse. Aber: Dieser extrem schwache Effekt ist messbar. Die bislang beste Bestätigung von Casimirs Vorhersage – mit einer Genauigkeit von plus/minus 15 Prozent – gelang Gianni Carugno, Roberto Onofrio und ihren Kollegen von der Universität Padua im Jahr 2002 bei einem Platten-Abstand von 0,5 bis 3 Tausendstel Millimeter.

Die Ursache für den Casimir-Effekt ist das „Brodeln“ des Vakuums. Weil in der Quantenphysik Teilchen zugleich auch Wellen sind, können sich in dem Raum zwischen zwei Platten nur jene Photonen aufhalten, deren Wellenlängen ein ganzzahliger Bruchteil des Abstands der Platten ist. Außerhalb der Platten existieren alle möglichen Wellenlängen und somit viel mehr virtuelle Teilchen. Dieser Überschuss übt eine winzige Kraft aus, die die Platten zusammendrückt. Ein analoger Effekt ist unter Seefahrern wohlbekannt: Zwei Schiffe, die nebeneinander liegen, werden aufeinander zugetrieben, weil zwischen ihnen das Meer an der Wellenbewegung ringsum nicht teilnimmt. Allerdings reflektieren die Schiffe die Wellenzüge nicht einfach, sondern bewegen sich auch noch mit ihnen.

Beim Casimir-Effekt ist die Energiedichte zwischen den Platten relativ zur Umgebung negativ. Somit ist nichts – wenn man „nichts“ als ein perfektes Vakuum ohne Teilchen und Strahlung definiert – zum einen doch immer noch „etwas“. Zum anderen gibt es sogar weniger als nichts, denn im Vakuum zwischen den Metallplatten wabert weniger virtuelle Nullpunktstrahlung als außerhalb.

„Der leere Raum der Quantenphysik stimmt zwar netto mit dem leeren Raum unserer Vorstellung überein, aber nicht brutto“, resümiert Henning Genz. Der emeritierte Professor für Theoretische Physik wählt einen anschaulichen Vergleich: „Nehmen wir einen armen Schlucker, der weder brutto noch netto etwas besitzt, weil alle seine Konten stets leer sind, und ein Pumpgenie, dessen Konten insgesamt und immer ebenfalls die Bilanzsumme null ergeben, einzeln aber mal hier, mal dort große positive oder negative Beträge aufweisen. Der leere Raum unserer Vorstellung ist leer wie die Konten des armen Schluckers. Der leere Raum der Physik hingegen gleicht den Konten des Pumpgenies.“

Aber die Nullpunktstrahlung ist nicht das einzige Ingredienz des Vakuums. Es muss noch andere Felder geben, meinen Physiker und Kosmologen. Eines ist das Higgsfeld, das Peter Ward Higgs von der University of Edinburgh schon 1964 postuliert hat, um die Massen der Elementarteilchen zu erklären. Diese wechselwirken mit ihm und gewinnen erst dadurch die Schwernis des Daseins, so die weithin akzeptierte Vorstellung. Wenn der Large Hadron Collider am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf übernächstes Jahr seinen Betrieb aufnimmt, soll das Higgsfeld rasch nachgewiesen werden – das wäre ein weiterer nobelpreiswürdiger Triumph für die Theoretische Physik.

Auch andere Felder sind in der Diskussion. So ist in den letzten Jahren deutlich geworden, dass eine mysteriöse Dunkle Energie die Ausdehnung des Universums seit mindestens fünf Milliarden Jahren beschleunigt. Was sich dahinter verbirgt – Albert Einsteins ominöse „Kosmologische Konstante“ ist noch die konservativste Annahme – gehört zu den größten Rätseln der gegenwärtigen Physik.

Fest steht jedenfalls, dass das Vakuum nicht „nichts“ ist, sondern nur der energieärmste physikalische Grundzustand. Und selbst der ist nicht für die Ewigkeit. Er könnte in anderen, weit entfernten Bereichen des Alls – oder in anderen Universen – anders sein. Er könnte sich auch hier künftig ändern – was die Vernichtung all der Materie, die wir kennen, und aus der wir selbst bestehen, zur Folge hätte. Und er scheint früher anders gewesen zu sein: Kosmologen sprechen von einem „falschen Vakuum“, das kurz nach dem Urknall den Weltraum durch dessen exponentielle Ausdehnung überhaupt erst groß gemacht hat. Diese Kosmische Inflation basiert ebenfalls auf einem Feld – oder sogar mehreren – , Inflaton genannt.

Auch alle diese mehr oder weniger hypothetischen Felder, vom Higgsfeld bis zum Inflaton, sind nicht starr, sondern fluktuieren gemäß der Quantenphysik. Und mehr noch: „Ein Herrscher ohne Land kann die Quantenphysik nicht sein, weil zu ihrem Wesen Schwankungen gehören. Herrscht sie, tritt in dem nichtigsten Nichts, das sie zulässt, notwendig ‚etwas‘ auf und verschwindet wieder“, fasst Henning Genz zusammen und fragt: „Ist es also eine der Vorbedingungen der Quantenmechanik, dass es Zeit und Raum gibt, in denen Schwankungen von etwas auftreten können? Oder erschafft sie vielmehr selbst die Bühne aus Raum und Zeit, die alsdann ihre schwankenden Gestalten bevölkern?“

Selbst ein völlig materie-, strahlungs- und quantenfreier Raum – in dem wir nicht leben, den Physiker aber beschreiben können – hätte demnach noch Eigenschaften und wäre also nicht nichts. Das ergibt sich aus der Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie ermöglicht es, auch „leere Universen“ zu charakterisieren. Wie Albert Einstein und der niederländische Mathematiker und Astronom Willem de Sitter bereits 1917 erkannten, wären solche leeren Universen negativ gekrümmt wie ein Sattel, positiv gekrümmt wie eine Kugeloberfläche oder flach wie eine Tischplatte – und unter Umständen hätten sie sogar eine Dynamik, das heißt, sie könnten expandieren oder kontrahieren.

Henning Genz bringt all die Erkenntnisse zur Physik des Vakuums auf den Punkt: „Ist der Raum mit einer Bühne vergleichbar, auf der Dinge auftreten können, aber nicht müssen? Und kann der Raum, unbeeinflusst von den Dingen, die in ihm auftreten, immer derselbe sein? Die Antwort der Physik auf beide Fragen ist ein klares Nein.“ Doch damit nicht genug. Trotz aller Fortschritte ist die ursprüngliche Kontroverse um das Nichts noch immer nicht entschieden. Genz: „Die endgültige Antwort auf die Frage nach der Natur eines Raums, der so leer ist, wie mit den Naturgesetzen vereinbar, steht noch aus. Denn diese Antwort kann nur eine Theorie geben, welche die Quantenphysik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinigt.“

Eine solche Theorie der Quantengravitation, die schon Einstein in den letzten Jahrzehnten seines Lebens vergeblich suchte, könnte, so der Erwartungshorizont, die Natur der Raumzeit selbst erhellen. Tatsächlich gibt es bereits einige vielversprechende Kandidaten, darunter die Quantengeometrie oder Schleifen-Quantengravitation (bild der wissenschaft 12/2003, „ Jenseits von Raum und Zeit“ und 4/2004, „Strings gegen Schleifen“ ). Ihr zufolge sind Raum und Zeit gar nicht fundamental, sondern aus einem fädenartigen Geflecht winziger eindimensionaler Strukturen konstituiert, zwischen denen buchstäblich „nichts“ ist. Sie sind nicht im Raum, sondern erzeugen den Raum erst. Ob dieser „Raumzeitstaub“, im Fachjargon Spin-Netzwerk genannt, ewig und überall ist, wird von den Quantengeometrie-Forschern um Abhay Ashtekar von der Pennsylvania State University zur Zeit akribisch untersucht. Ersten vielversprechenden Berechnungen zufolge ist der Urknall nur ein Übergang im Zustand dieses Spin-Netzwerks (bild der wissenschaft 6/2006, „Was war vor dem Urknall?“).

Andere Quantenkosmologen dagegen postulieren seit Anfang der Achtzigerjahre eine Entstehung des Universums aus dem Nichts. Damit ist kein Schöpfungsakt im theologischen Sinn gemeint. Denn der setzt ja zumindest einen Schöpfer voraus, der nicht nichts wäre, auch wenn er nichts weiter bräuchte – also keinen chaotischen Urstoff, den er „in Ordnung“ brächte, das heißt zu einem Kosmos formte. Vielmehr kam, so mutmaßt Alexander Vilenkin von der Tufts University in Medford, Massachusetts, „alles“ aus wirklich nichts (bild der wissenschaft 5/2002, „Hawking & Co“ ). Nicht nur die Materie und Energie, sondern auch Raum und Zeit hätten somit einen Anfang. Stephen Hawking von der Cambridge University hat kurz nach Vilenkin und unabhängig von ihm eine ganz ähnliche Hypothese ausgearbeitet.

„Ich fand eine mathematische Beschreibung eines Universums, das von der Größe Null – von nichts! – in einen endlichen Radius tunnelte“, erinnert sich Vilenkin in seinem vor wenigen Wochen veröffentlichten populärwissenschaftlichen Buch „Many Worlds In One“. Das Universum entstand der Hypothese des aus der Ukraine stammenden Kosmologen zufolge „plötzlich aus dem Nirgendwo und begann sich sofort inflationär auszudehnen. Der Radius des neugeborenen Universums wird von seiner Vakuum-Energiedichte bestimmt. Je höher sie ist, desto kleiner der Radius.“ Vilenkin geht von Werten in der Größenordnung eines Billionstel (10–12) Meters aus.

Die naheliegende Frage nach der Kausalität schmettert Vilenkin ab: „Es ist ein Quantenprozess und erfordert keine Ursache.“ Ebenso die Frage, was vorher war: „Vor dem Tunnelvorgang gab es weder Raum noch Zeit, somit ist die Frage nach einem Davor sinnlos. Nichts – ein Zustand ohne Materie, Raum und Zeit – scheint der einzig befriedigende Anfangspunkt für die Weltentstehung zu sein.“

Doch selbst wenn dies so wäre, und davon sind bei Weitem nicht alle Quantenkosmologen überzeugt, hätte man keine letzte Erklärung, sondern ein noch schwierigeres Problem. Denn die philosophische Frage, warum etwas ist und nicht nichts, hat Vilenkin ja nicht beantwortet, sondern vielmehr elegant umgangen. Und das zu einem hohen Preis, wie er selbst zugibt: „Freilich ist der Zustand von ‚nichts‘ nicht mit einem absoluten Nichts gleichzusetzen. Das Tunneln wird mit den Gesetzen der Quantenphysik beschrieben, also muss ‚nichts‘ diesen Gesetzen gehorchen. Die Gesetze der Physik müssen existiert haben, auch wenn es kein Universum gab.“ Rüdiger Vaas ■

Ohne Titel

• Das physikalische Nichts, das Vakuum, ist sehr schwierig zu erzeugen – und hat exotische Eigenschaften.

• Selbst ein materie- und strahlungsfreier Raum ist nicht leer, sondern von Quantenprozessen und von diversen Feldern erfüllt.

• Trotzdem könnte der Kosmos aus „nichts“ entstanden sein.

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