Basiswissen

Die Nullpunktsenegie, auch Vakuumenergie, bezeichnet man ganz allgemein die Differenz an Energie die ein System in seinem quantenphysikalischen Grundzustand hat und der Energie, die es minimal im Sinne der klassischen Physik einnehmen kann. Das ist hier am Beispiel der Vakuumenergie am absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) kurz erklärt.

Der absolute Nullpunkt in der klassischen Physik

In der klassischen Physik stellt man sich die Materia aufgebaut aus kleinsten Teilchen vor. Diese kleinsten Teilchen haben - in der klassischen Physik - zu jedem beliebigen Zeitpunkt einen exakten Aufenthaltsort und eine exakte Geschwindigkeit. Am absoluten Nullpunkt im Sinne der Wärmelehre müssten Teilchen zur absoluten Ruhe kommen, das heißt, jede Bewegung und damit auch jede Bewegungsenergie verschwindet. Alle Teilchen sind absolut ruhend an festen Punkten, Materie wäre dann klasisch gedacht völlig starr und fest.

Der absolute Nullpunkt in der Quantenphysik

Die Annahme, dass ein Teilchen zu jedem Zeitpunkt eine festen Aufenthaltsort und eine feste Geschwindigkeit hat gilt in der Quantenphysik nicht mehr. Hier gilt vielmehr, dass ein Teilchen niemals gleichzeitig eine exakte Geschwindigkeit und einen exakten Aufenthaltsort haben kann. Dies ist eine Formulierung der sogenannten Unschärferelation. Eine Folgerung daraus ist, dass Teilchen immer eine Mindestgeschwindigkeit haben oder ständig ihren Aufenthaltsort ändern oder beides. Damit haben sie aber auch immer eine Bewegungsenergie, auch kinetische Energie genannt. Das heißt weiter, dass in einer quantenphysikalischen Sicht der absolute Nullpunkt im Sinne von 0 Kelvin Temperatur nicht erreicht werden kann: Teilchen haben immer eine Restbewegung infolge der Unschärferelation und damit nie eine Temperatur von 0 Kelvin. Diese Sicht ist heute in der Physik allgemein akzeptiert.

Was ist dann die Nullpunktsenergie?

Die Nullpunktenergie im Zusammenhang mit dem absoluten Nullpunkt der Wärmelehre ist dann die Bewegungsenergie, die die betrachteten Teilchen noch haben im Vergleich zu einem Zustand perfekter Bewegungslosigkeit.

Gibt es Belege für die Nullpunktsenergie?

Ja, vor allem der sogenannte Casimir-Effekt^[2]. Dieser Effekt wurde auch empirisch belegt^[3]. Er kann unter anderem auch durch die Existenz einer Nullpunktenergie erklärt werden. Lies mehr unter Casimir-Effekt ↗

Fußnoten

[1] Werner Heisenberg: Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik. In: Zeitschrift für Physik. Band 43, 1927, S. 172–198. doi:10.1007/BF01397280.

[2] Hendrik Casimir: On the attraction between two perfectly conducting plates. In: Proc. Con. Ned. Akad. van Wetensch. B51 (7), 1948, S. 793–796.reprint online

[3] M.J. Sparnaay: Measurements of attractive forces between flat plates. In: Physica. 24, 1958, S. 751, doi:10.1016/S0031-8914(58)80090-7.

[4] Manon Bischoff: Eine Waage für das Vakuum. In: Spektrum der Wissenschaft. Oktober 2022.