Ist absolute Leere eine Utopie?

Das Vakuum und das Ultrahochvakuum: Von Magdeburg zum LHC — Die Magdeburger Halbkugeln sind ein Versuchsgerät von Otto von Guericke, das 1654 dazu diente, die Existenz eines Vakuums und die Vorstellung von Luftdruck zu demonstrieren. Die Pferde ziehen zwei versiegelte Halbkugeln, an denen sich ein Luftabsaughahn befindet. Bildquelle:Deutsche Fotothek (neues Fenster)

Nichts vs. Leere: radikal unterschiedliche Konzepte

Verwechseln Sie das nichtleerund dieNichts.

Nichtsist die Abwesenheitabsolut von allem: weder Materie, noch Energie, noch Raum, noch Zeit. Es handelt sich um ein metaphysisches Konzept, das experimentell weder beobachtet noch reproduziert werden kann.
Die Leereist ein Konzeptphysisch und philosophischdie BezeichnungAbwesenheit von Materiein einem bestimmten Volumen. Im Gegensatz zum Nichts kann das Vakuum Energie enthalten (elektromagnetische Felder, Quantenfluktuationen).

Im Volksmund ist ein sogenannter „leerer“ Behälter (ein Glas, eine Flasche) in Wirklichkeit mit Luft gefüllt. Bei atmosphärischem Druck enthält ein Kubikmillimeter Luft ca2 × 10¹⁹Moleküleoder zwei Millionen Milliarden Milliarden. Diese Dichte verdeutlicht die Mehrdeutigkeit des Begriffs: Wenn die Leere niemals vollständig ist, verdient sie dann ihren Namen?

Das Vakuum in der Physik: eine experimentelle Grenze

Physiker definieren Vakuum alsder Zustand, der nach der Entfernung aller erkennbaren Materialien erreicht wirdin einem bestimmten Volumen, entsprechend den aktuellen technologischen Grenzen. Es handelt sich also um einrelatives Vakuum, niemals absolut.

Ultrahochvakuumwird bei Drücken kleiner als erreicht10^-7 Pa (10^-9mbar). Auf diesem Niveau sinkt die Moleküldichte auf ca2 Millionen Moleküle pro Kubikzentimeter.
Zum Vergleich: Der interstellare Raum enthält durchschnittlich1 Atom pro Kubikzentimeter, und das intergalaktische Vakuum sinkt ab1 Atom pro Kubikmeter.

Wie erzeugt man ein Teilvakuum?

Wir verwenden aVakuumpumpeum Moleküle aus einem verschlossenen Volumen zu extrahieren. Die Vakuumqualität wird anhand der gemessenRestdruck, ausgedrückt als:

Pascal (Pa)(SI-Einheit): 1 Pa = 1 N/m².
Millibar (mbar): 1 mbar = 100 Pa (industrielle Nutzung).
Torr: 1 Torr ≈ 133,322 Pa (historisch, basierend auf dem Druck, der von 1 mm Quecksilbersäule ausgeübt wird).

Auf der Erde gibt es die besten Ultrahochvakuumanlagen10^-10um 10^-12 Pa(z.B.: Teilchenbeschleuniger wie derLHC (großer Hadronenbeschleuniger)). Selbst unter diesen Bedingungen bleiben Moleküle und das Vakuum bestehenrelativ.

Druck in Pascal (Pa): 1 Pa entspricht einer Kraft von1 Newton (N)gleichmäßig auftragen1 Quadratmeter.
Definition von Newton (N): SI-Krafteinheit. 1 N ist die Kraft, die auf eine Masse übertragen werden kann1kgeine Beschleunigung von1 m/s².
Beispiel: Eine Beschleunigung von 1 m/s² bedeutet, dass sich die Geschwindigkeit eines Objekts um erhöht3,6 km/h pro Sekunde (1 m/s = 3,6 km/h).

Vakuum und elektromagnetische Felder: unsichtbare Energie

Entgegen der landläufigen Meinung ist das Vakuum nicht „energieleer“:

DERelektromagnetische Wellen(Licht, Radio, Röntgenstrahlen) breiten sich im Vakuum ausohne Hardwareunterstützung. Sie entsprechen den Variationen der elektrischen und magnetischen Felder und transportieren Energie.
InQuantenmechanik, die Leere ist der Sitz vonQuantenfluktuationen: Teilchen-Antiteilchen-Paare erscheinen und verschwinden spontan (Casimir-Effekt (quanteneffekt, bei dem sich zwei Metallplatten im Vakuum aufgrund von Quantenvakuumfluktuationen gegenseitig anziehen)).

Atotales Vakuumwürde daher die Abwesenheit bedeutenauf einmalder MaterieUndStrahlung/Energie. Einen solchen Zustand gibt es weder im beobachtbaren Universum (wo fossile Strahlung den Weltraum bei 2,7 K durchflutet) noch im Labor.

Einstein und Relativitätstheorie: Das Ende des absoluten Vakuums?

InRelativitätstheorie – Spezielle und allgemeine Theorien (1916), Albert Einstein(1879-1955) widmet dem Problem von Raum und Leere einen Anhang. Er zitiertRené Descartes(1596-1650) undImmanuel Kant(1724-1804) und lehnt die Idee eines ableerer Raum von Feldern: „Physische Objekte sind es nichtInRaum, sondern diese Objekteeine räumliche Ausdehnung haben. Auf diese Weise verliert der Begriff des leeren Raums seine Bedeutung. »
Albert Einstein, Vorwort zur 9. Auflage (1952). Für Einstein ist Raumzeit eindynamisches Gebilde, geformt durch Materie und Energie (GleichungE = mc²). Das „Leere“ wird dann zu einemFeld der Potenziale, wo selbst die Abwesenheit von Materie geometrischen Eigenschaften (Krümmung der Raumzeit) Platz macht.

Die Magdeburger Halbkugeln: eine historische Demonstration der Leere

In1654, Otto von Guericke(Bürgermeister von Magdeburg und Wissenschaftler) führte ein bedeutendes Experiment durch, um die Wirkung von zu demonstrierenatmosphärischer Druck:

ZweiHalbkugeln aus Metall30 cm Durchmesser wurden hermetisch zusammengebaut.
Luft wurde hineingepumpt (mit einer rudimentären Vakuumpumpe), wodurch eine entstandTeilvakuum.
Der äußere Atmosphärendruck (≈ 10⁵Pa) übte eine theoretische Kraft von aus≈ 7.000 Nauf den Halbkugeln (Durchmesser 30 cm).
In1657, vor Kaiser Ferdinand III. in Regensburg,16 Pferde(8 auf jeder Seite) schafften es nicht, sie zu trennen.