Vakuumfluktuationen, Quanten- und Nullpunktsfluktuation, sind Begriffe, die in Zusammenhang mit der Quantenfeldtheorie verwendet werden. Sie ist eng verwandt mit der Vakuumpolarisation. Hergeleitet wird der Begriff gelegentlich aus der quantenmechanischen Energie-Zeit-Unschärferelation. Häufig wird er mit virtuellen Teilchen in Verbindung gebracht.

In der Physik versteht man unter Fluktuation die zufällige Änderung einer näherungsweise konstanten Systemgröße. In diesem Sinne ist jedoch die Vakuumfluktuation nicht zu verstehen. Das Vakuum ist in Raum und Zeit gleichmäßig und ändert sich überhaupt nicht.^[1]

In den Formeln der Quantenfeldtheorie von Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli treten Unendlichkeiten auf, die von Richard Feynman und Julian Seymour Schwinger 1948 und etwas früher während des Krieges von Shin’ichirō Tomonaga durch Renormierung aufgelöst wurden. Im Zusammenhang mit den dabei entstehenden Termen entwickelten die Physiker die Vorstellung von Wolken aus virtuellen Teilchen, welche die Teilchen der klassischen nicht störungs-theoretischen Elektrodynamik umgeben. In der Vorstellung können virtuelle Teilchen in einem sehr kurzen Zeitraum real und sofort wieder absorbiert werden. Durch die entstehende Fluktuation der Energie verändert sich die messbare Masse und Ladung der Teilchen. Somit ist diese Fluktuation in den beobachtbaren Teilchen wie Elektronen oder Photonen bereits enthalten und kann niemals isoliert betrachtet werden. Diese virtuellen Teilchen haben somit keine physikalische Bedeutung, daher darf die Vakuumfluktuation auch nicht mit der Paarbildung verwechselt werden.^[2]

Seit ca. 2010 gibt es mehr und mehr physikalische Experimente, die für sich in Anspruch nehmen, die Vakuumfluktuation gemessen zu haben. Einige der Experimente sind im Folgenden aufgeführt.

Mit der Nutzung des Begriffs Vakuumfluktuation setzt sich der Mathematiker Arnold Neumaier in einem Forumsbeitrag kritisch auseinander. Er betont, dass die Verwendung von Vakuumerwartungswerten kein Anhaltspunkt für Vakuumfluktuationen sind, da diese Erwartungswerte in allen Berechnungen auftreten werden, solange sie in einer störungstheoretischen Einstellung durchgeführt werden. In nicht störungstheoretischen Studien von Quantenfeldtheorien auf dem Gitter habe niemand die geringste Spur von Vakuumfluktuationen gesehen.^[3]

In der Vergangenheit wurde insbesondere der Casimir-Effekt (Anziehungskräfte zwischen parallelen Metallplatten) als Beweis dafür angesehen, dass Vakuumfluktuationen bzw. virtuelle Teilchen eine eigenständige physikalische Bedeutung haben könnten.

Robert L. Jaffe zeigte 2005 jedoch, dass diese Effekte durch quantentheoretische Störungsrechnung auch ohne Vakuumfluktuationen hergeleitet werden können.^[4] Der Casimir-Effekt ergibt sich dabei bereits aus der Van-der-Waals-Wechselwirkung für Platten unendlicher Ausdehnung und Leitfähigkeit. Auch Joseph Cugnon hat bestätigt, dass die Ursache des Casimir-Effekts eher mit der Van-der-Waals-Wechselwirkung zu erklären ist.^[5]

Aus der Quantenfeldtheorie hat der Physiker Gerald T. Moore 1970 hergeleitet, dass virtuelle Teilchen, die sich in einem Vakuum befinden, real werden können, wenn sie von einem Spiegel reflektiert werden, der sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.^[6] Er wurde später auch dynamischer Casimir-Effekt genannt.

2008 zeigten Haro und Elizalde jedoch, dass dieser Effekt eher auf thermische Emission zurückzuführen sei.^[7]

2011 hat ein Team von schwedischen Wissenschaftlern der Chalmers University of Technology die Idee eines schnell rotierenden Spiegels umgesetzt, indem sie ein SQUID fast auf den Nullpunkt abkühlten und es mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes vibrieren ließen. Dabei entstanden messbare Photonen, deren Energiespektrum symmetrisch war zur halben Frequenz des oszillierenden fiktiven Spiegels. Daraus schlossen die Forscher, den dynamischen Casimir-Effekt gemessen zu haben.^[8][9][10]

2015 haben Physiker an der Universität Konstanz nach eigener Aussage Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes direkt nachgewiesen. Mit einem sehr kurzen Laserpuls im Bereich einer Femtosekunde wurden Effekte gemessen, die sich die Wissenschaftler nur mithilfe von Vakuumfluktuationen erklären können.^[11][12] Leitenstorfer und Kollegen kommen zu dem Schluss, dass die beobachteten Effekte von virtuellen Photonen ausgelöst wurden.

Quantenphasenübergänge treten in kondensierter Materie auf, wenn beim absoluten Temperaturnullpunkt nicht temperaturartige physikalische Parameter wie Druck, die chemische Zusammensetzung oder ein Magnetfeld variiert werden. Der jeweilige Phasenübergang (zum Beispiel der Übergang von einem Isolator in einen Supraleiter) wird in dabei, nach Aussage der Forscher, von Quantenfluktuationen und nicht von thermischen Fluktuationen ausgelöst.^[13][14] Forscher der Bar-Ilan-Universität untersuchten extrem dünne Schichten eines Niob-Titan-Stickstoff-Supraleiters in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Mittels eines SQUID wurde festgestellt, dass sich die supraleitenden Bereiche mit der Zeit verändern, also zeitlich und räumlich fluktuieren. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten bei der Entwicklung von Quantencomputern nützlich sein.^[15][16]

2020 berichteten Wissenschaftler mittels LIGO erstmals Auswirkungen von Quantenfluktuationen auf makroskopische Objekte menschlicher Größenordnung gemessen zu haben – auf die Bewegung 40kg-schwerer Spiegel der LIGO-Observatium-Interferometer-Detektoren. Ziel der Untersuchungen ist die Verbesserung der Empfindlichkeit von Gravitationswellendetektoren, die zur Messung von Gravitationswellen gequetschtes Licht verwenden. Durch die Korrelation von Schrotrauschen und einem postulierten Quantenrauschen (im Artikel mit QRPN = "quantum radiation pressure noise" bezeichnet), konnte die Empfindlichkeit der Detektoren verbessert werden, woraus die Forscher die direkte Messung von Quantenfluktuationen schlussfolgern.^[17][18][19]

Seit langem vermessen Physiker das anomale magnetische Moment von Elementarteilchen. Bei den Messungen für das Myon sind im April 2021 Abweichungen zu den Vorhersagen des Standardmodells gefunden worden. Anlässlich der gefundenen Differenzen wurde der Wert für das Myon mit Supercomputern, basierend auf dem Standardmodell, neu berechnet. Ein Anteil des anomalen magnetischen Moments wird im englischen Artikel mit hadronic-vacuum-polarization bezeichnet.^[20] In diesen Zusammenhang sprechen die Forscher, die den Anteil der hadronischen Vakuumpolarisation (LO-HVP) neu berechnet haben, wie auch Josef M. Gaßner von Vakuum- oder Quantenfluktuationen.^[21][22]

In verschiedenen Artikeln wird Vakuumfluktuation unter Annahme von Nullpunktsenergie, die auch Vakuumenergie genannt wird, gelegentlich hergeleitet aus der Unschärferelation zwischen Zeit und Energie.

Dabei wird manchmal der Eindruck vermittelt, dass diese Fluktuationen physikalische Effekte auslösen könnten.^[23] So werden Vakuumfluktuationen als Beleg dafür angeführt, dass das quantenmechanische Vakuum nicht im klassischen Sinne „leer“ ist. Auch werden Vakuumfluktuationen gelegentlich als mögliche Erklärung für die Dunkle Energie angesehen, jedoch unterscheiden sich die errechneten Werte um den Faktor 10¹²⁰ (Problem der Kosmologischen Konstante).

• Ian J. R. Aitchison: Nothing`s plenty. The vacuum in modern quantum field theory, Contemporary Physics, Band 26, 1985, S. 333–391 [1]
• Kimball Milton (Hrsg.): The Casimir Effect, World Scientific 2001
• Peter W. Milonni: The quantum vacuum. An introduction to quantum electrodynamics, Academic Press 1994
• Johann Rafelski, Berndt Müller: The structured Vacuum – thinking about nothing. Harri Deutsch, 1985; physics.arizona.edu (PDF)
• Andreas Müller: Quantenvakuum. Astrowissen

1. ↑ The Physics of virtual particles. 28. März 2016, abgerufen im Januar 2017.  Fehler beim Aufruf der Vorlage:Cite web: Bei Nachname Autor wurde Parameter und Alias bzw. mehrere Aliase angegeben.
2. ↑ Hendrik van Hees: Introduction to Relativistic Quantum Field Theory. Februar 2016, S. 127 ff., abgerufen im Februar 2017. 
3. ↑ Arnold Neumaier: Vacuum Fluctuations in Experimental Practice. 19. Januar 2017, abgerufen am 31. Januar 2019. 
4. ↑ R. L. Jaffe Casimir effect and the quantum vacuum. Physical Review D, 2005, 72. Jg., Nr. 2, S. 021301. arxiv:hep-th/0503158
5. ↑ Joseph Cugnon: The Casimir Effect and the Vacuum Energy: Duality in the Physical Interpretation. In: Few-Body Systems. 53.1-2 (2012), S. 181–188. ulg.ac.be (PDF)
6. ↑ Gerald T. Moore: Quantum Theory of the Electromagnetic Field in a Variable-Length One-Dimensional Cavity. September 1970, bibcode:1970JMP....11.2679M. 
7. ↑ Jaume Haro and Emilio Elizalde: Black hole collapse simulated by vacuum fluctuations with a moving semitransparent mirror. Februar 2008, doi:10.1103/PhysRevD.77.045011, arxiv:0712.4141. 
8. ↑ P. Delsing, F. Nori, T. Duty, J. R. Johansson, M. Simoen: Observation of the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit. In: Nature. Band 479, Nr. 7373, November 2011, ISSN 1476-4687, S. 376–379, doi:10.1038/nature10561, arxiv:1105.4714. 
9. ↑ Rüdiger Vaas: Von nichts kommt nichts. Januar 2012, abgerufen im November 2011. 
10. ↑ Maike Pollmann: Licht aus Vakuum erzeugt. November 2016, abgerufen im Januar 2017. 
11. ↑ C. Riek, D. V. Seletskiy, A. S. Moskalenko, J. F. Schmidt, P. Krauspe, S. Eckart, S. Eggert, G. Burkard, A. Leitenstorfer: Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations. (PDF) Abgerufen im Januar 2017. 
12. ↑ Vakuumfluktuationen. Archiviert vom Original am 21. Januar 2017; abgerufen im Januar 2017. 
13. ↑ Thomas Vojta: Quantum Phase Transitions. In: Computational Statistical Physics. Springer, Berlin, Heidelberg 2002, ISBN 978-3-642-07571-1, S. 211–226, doi:10.1007/978-3-662-04804-7_13, arxiv:cond-mat/0309604. 
14. ↑ T. R. KIRKPATRICK, D. BELITZ: Quantum Phase Transitions in Electronic Systems. In: Electron Correlation in the Solid State. Imperial College Press, 2. Januar 1999, S. 297–370, doi:10.1142/9781860944079_0005, arxiv:cond-mat/9707001v2. 
15. ↑ A. Kremen, H. Khan, Y. L. Loh, T. I. Baturina, N. Trivedi, A. Frydman, B. Kalisky: Imaging quantum fluctuations near criticality. In: nature physics. Band 14, 20. August 2018, S. 1205–1210, doi:10.1038/s41567-018-0264-z, arxiv:1806.10972. 
16. ↑ Bar-Ilan University, 21.08.2018 – NPO: Quantenfluktuationen sichtbar gemacht. In: scinexx. MMCD NEW MEDIA, Düsseldorf (scinexx.de [abgerufen am 15. März 2021]). 
17. ↑ Yu Haocun L. McCuller M.Tse N.Kijbunchoo L. Barsotti N.Mavalvala: Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO. In: Nature. Band 583, Nr. 7814, Juli 2020, ISSN 1476-4687, S. 43–47, doi:10.1038/s41586-020-2420-8, PMID 32612226, arxiv:2002.01519 (englisch). 
18. ↑ Quantum fluctuations can jiggle objects on the human scale In: phys.org. Abgerufen im März 2021 (englisch). 
19. ↑ Nadja Prodbregar: Quantenrauschen bewegt auch uns, MMCD New Media, Düsseldorf, Juli 2020. Abgerufen im März 2021 Fehler bei Vorlage * Parametername unbekannt (Vorlage:Cite news): "journal"
20. ↑ B. Abi et al.: Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. In: Physical Review Letters. Band 126, Nr. 14, April 2021, doi:10.1103/PhysRevLett.126.141801, arxiv:2104.03281 (englisch). 
21. ↑ Sz. Borsanyi, Z. Fodor, , J. N. Guenther, C. Hoelbling, S. D. Katz, Lellouch, T. Lippert, K. Miura, , L. Parato, K. K. Szabo, F. Stokes, B. C. Toth, Cs. Torok, L. Varnhorst: Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD. In: nature. Band 593, 7. April 2021, S. 51–55, doi:10.1038/s41586-021-03418-1, arxiv:2002.12347. 
22. ↑ Josef M. Gaßner, München: Muon g-2 Experiment. Abgerufen im April 2021. 
23. ↑ Henning Genz, Karlsruhe: Vakuum – 3.6 Fluktuationen. Abgerufen im Januar 2017.