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Quantendruck zwischen Hohlräumen

Bisher unbekannte Kraft

[9. Oktober 2001]

Zwischen den so genannten Buckminsterfullerenen, fußballförmigen Molekülen aus 60 Kohlenstoffatomen, kann eine bislang unbekannte Kraft in Erscheinung treten, wenn diese in flüssigem Quecksilber schwimmen. Das haben Rechnungen von Aurel Bulgac (Universität von Washington, Seattle, USA) und Andreas Wirzba (Institut für Kernphysik, Forschungszentrum Jülich) gezeigt - siehe Physical Review Letters, Bd. 87, Nr. 120 404.

Die beiden theoretischen Physiker erklären die Kraft dadurch, dass Fullerene oder andere in Quecksilber schwimmende Partikel Hohlräume im flüssigem Metall bilden und somit die quantenmechanische Bewegungsfreiheit der Leitungselektronen einschränken, die sich in diesem Metall normalerweise ungehindert bewegen können. Durch die Ausbildung und Überlagerung stehender Wellen zwischen den Partikeln, falls die Leitungselektronen als Materiewellen aufgefasst werden, nimmt die Energie des flüssigen Metalls - abhängig von der Anordnung und den relativen Abständen der darin schwimmenden Partikel - zu oder ab. Aus der Energieänderung resultiert ein Quantendruck der Elektronen auf die Partikel und damit auch eine Kraft zwischen den Partikeln, die je nach Abstand anziehend oder abstoßend sein kann.

In der Tat ähnelt der obige Effekt dem traditionellen Casimir-Effekt des leeren Raumes, der die Anziehung zwischen zwei eng benachbarten parallelen metallischen Spiegeln beschreibt. Letztere Kraft ist vom niederländischen Physiker H.B.G. Casimir im Jahre 1948 postuliert und erst kürzlich (Lamoreaux 1997, Mohideen and Roy 1998) quantitativ im Experiment bestätigt worden. Wegen der Heisenbergschen Unschärferelation ist das Vakuum nicht wirklich leer, sondern enthält fluktuierende Felder. Zwischen den Spiegeln können aber nur solche Fluktuationen auftreten, deren Halbwellenlänge kleiner als der Abstand der Spiegel ist. Durch das so produzierte Ungleichgewicht der fluktuierenden Felder innerhalb und außerhalb der Spiegel wird die Energie des Vakuums zwischen den Spiegeln reduziert, und es resultiert die oben beschriebene anziehende Casimir-Kraft - eine makroskopische Manifestation derQuantenmechanik.

Bulgac und Wirzba haben diesen Effekt auf die Wechselwirkungen zwischen Hohlräumen in Materiefelder verallgemeinert. Seit der Pionierarbeit von Louis de Broglie im Jahre 1924 können nämlich Materieteilchen wie z.B. Elektronen in Metallen, Neutronen in Neutronensternen oder sogar Atome der kürzlich experimentell realisierten atomischen Bose-Einstein- und Fermi-Kondensate auch als Materiewellen oder - in modernerer Form - als Anregungen der zugehörigen Quantenfelder angesehen werden. In der Tat sorgt der Quantendruck der umliegenden Materie auf die Hohlkörper, der durch die Einbettung und Anordnung der Hohlräume in der Materie aufgebaut wird, für effektive Wechselwirkungen zwischen den Körpern selbst für den Fall, dass die Materie selber überhaupt keine Wechselwirkungen aufweist, also z.B. im Falle eines idealen Quantengases. Die Wechselwirkung sollte also auch zwischen Atomkernen auftreten, diesich in einem Gas von Neutronen, etwa in der äußeren Hülle eines Neutronensterns, befinden. In diesem Fall schränken die Atomkerne die Bewegungen der Neutronen in ähnlicher Weise ein wie die Fullerene die Bewegungen der Elektronen im Quecksilber.


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