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Das Vakuum ist in der Quantenphysik eine komplizierte Sache © TU Wien
Das Vakuum ist in der Quantenphysik eine komplizierte Sache © TU Wien

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Für "Energiekredite" aus dem Vakuum gelten strenge Grenzen

02.10.2019

Was gemäß der klassischen Physik unmöglich wäre, ist in der Quantenphysik erlaubt: das "Ausleihen" von Energie aus dem Vakuum. Eine internationale Forschungskooperation unter Beteiligung von Physikern der Technischen Universität (TU) Wien hat in einer im Fachjournal "Physical Review Letters" veröffentlichten, theoretischen Arbeit nun strengere Grenzen für diesen Vorgang definiert.

Wer sich etwas ausleiht, muss es auch irgendwann wieder zurückgeben. Diese Prinzip gilt nicht nur in der Finanzwelt, sondern auch in der Quantenphysik. Die Frage, in welcher Höhe der leere Raum einen solchen "Energiekredit" gewährt, und mit welchen Zinsen er zurückgezahlt werden muss, blieb allerdings lange Zeit offen. Während in der klassischen Relativitätstheorie die Annahme üblich ist, dass die Energie immer und überall größer als null sein muss, sind in der Quantenmechanik negative Energien schon länger bekannt.

"Das wirkliche Universum wird aber durch Quantenphysik beschrieben", sagte der Erstautor der aktuellen Studie, Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien gegenüber der APA. Die spielt zwar bei großen Objekten wie Sternen und Planeten keine Rolle. "Bei Phänomenen wie Schwarzen Löchern oder hochenergetischen Energiepulsen können aber auch negative Energieflüsse auftreten", so Grumiller.

Allgemeine Grenzen bereits 2016 formuliert

Durch eine Verknüpfung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik gelang es bereits 2016, gewisse Grenzen für das "Ausleihen" von Energie zu formulieren. Diese waren allerdings sehr allgemein gehalten und setzten eine Gesamtbetrachtung des Universums von seinem Anfang bis zum Ende voraus. "Uns ist es jetzt gelungen, für jeden Zeitpunkt und jeden Ort im Universum eine solche Schranke zu definieren - auch für Quantentheorien, die nicht speziell relativistisch sind", erklärte Grumiller.

Dabei beziehen sich die Forscher auf die sogenannte Verschränkungsentropie. Diese Größe ist ein Maß dafür, wie quantenphysikalisch sich ein System verhält. Ist sie besonders groß, wie beispielsweise am Rand eines Schwarzen Lochs, können dort für eine gewisse Zeit negative Energien auftreten.

Das vorübergehende Auftreten von Energien unter null bedeutet aber keineswegs eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes. "Um an einem bestimmten Ort negative Energieflüsse zu ermöglichen, muss es in der näheren Umgebung kompensierende positive Energieflüsse geben", betonte Grumiller. Es gilt also nach wie vor, dass sich Energie nicht einfach aus dem Nichts gewinnen lässt.

Service: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.121602

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