Freitag, 07.08.2020
 
Seit 20:05 Uhr Das Feature
StartseiteForschung aktuellGeliehene negative Energie muss sofort zurückgegeben werden11.02.2020

Zinseszins des VakuumsGeliehene negative Energie muss sofort zurückgegeben werden

In der realen Welt hat Energie eigentlich immer einen positiven Wert. Sie kann nicht verschwinden, sondern wird stets in andere Energieformen umgewandelt. Aber im Vakuum kann Dank der Quantenphysik auch negative Energie aus dem Nichts entstehen. Diese Energiekredite müssen sofort zurückgezahlt werden.

Von Frank Grotelüschen

Hören Sie unsere Beiträge in der Dlf Audiothek
Das Halbkugelmodell von Otto von Guericke. (Deutschlandradio / Andrea Schültke)
Das Halbkugelmodell von Otto von Guericke demonstriert die Kraft des Vakuums - auch negative Energie kann es darin geben (Deutschlandradio / Andrea Schültke)
Mehr zum Thema

Gravitationskraft an Schwarzem Loch Eiernder Stern bestätigt Einsteins Theorie

Neuer Quanteneffekt Wabernde Energie überträgt Wärme trotz Vakuum

Quantenverschränkung Niederländer bestätigen seltsame Regeln der Quantenphysik

Physik Die Ordnung der Zeit

T. Damour/ M. Burniat: "Das Geheimnis der Quantenwelt" Eine Reise an die Grenzen von Raum und Zeit

Das Vakuum – eigentlich sollte es das perfekte Nichts sein, die absolute Leere. Dem wäre auch so, würde nicht der Mikrokosmos von besonderen Regeln beherrscht – den Regeln der Quantenphysik. Die Folge: "Das Vakuum ist ein sehr vielfältiger und reichhaltiger Platz", sagt Daniel Grumiller, Physikprofessor an der TU Wien.

"Und der Grund, warum das so ist: Weil es Quanten-Fluktuationen geben kann. Das bedeutet, man hat nicht einfach nur nichts, sondern man hat ein Nichts, wo dauernd Dinge entstehen und vergehen können."

Eine Art wabernder Energiedunst, in dem sich unvermittelt Teilchen bilden, um dann gleich wieder zu entschwinden. Dieses muntere Treiben lässt sich zwar nicht direkt beobachten, aber zumindest indirekt nachweisen. Im Prinzip kann das überall passieren – nicht nur in den Tiefen des Weltalls, sondern genauso gut mitten im Büro oder direkt auf der Straße. Denn aus Sicht der theoretischen Physik ist das Vakuum nichts anderes als der allgegenwärtige Grundzustand unserer Welt. Nun aber kostet das Erzeugen von Teilchen aus dem Nichts zwangsläufig Energie, so wollen es die Grundgesetze der Physik. Doch woher kommt diese Energie?

Herausforderung für die Theoretiker

"Für kurze Zeit kann man sich Energie aus dem Vakuum ausborgen und dadurch einen Zustand erreichen, der weniger Energie hat als das Vakuum."

Weniger Energie als das Vakuum – in anderen Worten ist das eine negative Energie. Eine Herausforderung für die Theoretiker unter den Physiktreibenden, quasi die Buchhalter des Universums.

"Man stellt sich das Vakuum wie eine Bank vor, von der man einen Kredit aufnehmen kann. Die Frage ist dann: Wie hoch sind die Zinsen, mit denen ich den Kredit zurückzahlen muss? Wie schnell muss ich ihn zurückzahlen? Dazu gab es vage Vermutungen, aber keinen Beweis, wie das konkret aussieht. Und das hat sich geändert. Da gab es einen konkreten Vorschlag, wie viel Energie man sich ausborgen kann. Und der wurde vor nicht allzu langer Zeit bewiesen."

Thibault Damour/ Mathieu Burniat: "Das Geheimnis der Quantenwelt" (Knesebeck / Imago / GregoirexCirade / Novapix / Lemage) (Knesebeck / Imago / GregoirexCirade / Novapix / Lemage)"Das Geheimnis der Quantenwelt": Eine Reise an die Grenzen von Raum und Zeit
In dem Comic "Das Geheimnis der Quantenwelt" vermitteln Physiker Thibault Damour und Zeichner Mathieu Burniat Aspekte der Quantenphysik. Ein perfekter Einstieg in eine verwirrende Thematik.

Relativitätstheorie, Quantenphysik und viele Quantentheorien

Dieser Beweis erfolgte 2017 durch US-Forscher, indem sie die Quantenphysik mit Einsteins Relativitätstheorie kombinierten. Grumiller und sein Team konnten ihn nun erweitern und auf eine größere Gruppe von Quantentheorien anwenden. Demnach lässt sich das Vakuum nicht beliebig um Energie anpumpen. Um im Bankjargon zu bleiben: Es gibt einen festen Kreditrahmen, überziehen ist schlicht verboten. Und es gelten feste Regeln: Der Energiekredit muss binnen kürzester Zeit, binnen winzigster Sekundenbruchteile, wieder zurückgezahlt werden – so will es die berühmte Unschärferelation von Werner Heisenberg. Soweit jedenfalls die Theorie, experimentell nachgewiesen wurde die Sache mit der negativen Energie noch nicht. Doch Grumiller sieht durchaus Chancen – und zwar wenn der LHC in Genf, der stärkste Beschleuniger der Welt, Bleikerne mit enormer Wucht aufeinander feuert.

"Wenn die Schwer-Ionen wirklich sehr stark beschleunigt aufeinandertreffen, dann entstehen große positive Energiedichten. Und am Rande dieser positiven Energiedichten können negative Energiedichten entlangsurfen. Da gibt's zumindest in Berechnungen Bereiche, wo die Energiedichte negativ sein kann. Damit man diese Bereiche mit negativer Energiedichte haben kann, braucht man einen kompensierenden Bereich mit positiver Energiedichte. In Summe geht sich es wieder aus. Im Finanzjargon ausgedrückt muss man den Kredit präzise zurückzahlen. Man kann nicht mit Schulden enden."

Führen negative Engeriewerte zu negativen Massen?

Negative und positive Energie entstehen also gleichzeitig, und zwar auf engstem Raum. Um das Konto auszugleichen, löschen sich beiden dann wieder gegenseitig aus, und zwar nach extrem kurzer Zeit. Und sollte man am CERN tatsächlich auf Indizien für negative Energiewerte stoßen, hätte das eine weitere Konsequenz. Dann müsste es auch etwas anderes Unerhörtes geben – negative Masse.

"Am einfachsten kann man das zusammenfassen durch Einsteins berühmte Formel, die wahrscheinlich berühmteste Formel in der Physik – E=mc2: Die Energie kann in Masse umgewandelt werden und umgekehrt. Das heißt, wenn man negative Energiedichten hat, kann man sich das auch als negative Masse vorstellen. Wenn man negative und positive Massen zusammengibt, würden sich die abstoßen anstatt anziehen. Und das erscheint natürlich sehr kontraintuitiv."

Negative und positive Massen würden den negativen und positiven Ladungen in der Elektrizität entsprechen – wodurch elektrische Kräfte nicht nur anziehend sein können, sondern auch abstoßend. Analog dazu könnten sich zwei Massen plötzlich auch abstoßen – wenn auch nur einen unmessbaren Augenblick lang, bis die negative Masse wieder verschwunden wäre. Eines aber bedeuten diese Forschungsergebnisse keineswegs, betont Grumiller – nämlich dass man einfach so Energie aus dem Vakuum saugen könnte. Da nämlich macht die Physik dann doch einen Strich durch die Rechnung.

"Die Vorstellung: Man hat einfach nur nichts und wartet, und dann kann man sich plötzlich Energie ausborgen – so einfach ist das nicht. Man muss schon was dazu tun. Man muss irgendwo dann letztendlich auch positive Energieflüsse einbringen."

Um negative Energie zu ernten, muss man erstmal positive Energie hineinstecken. Und das würde die Sache bestenfalls zu einem Nullsummenspiel machen.

Das könnte sie auch interessieren

Entdecken Sie den Deutschlandfunk