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Physik-Vortrag von Professor Gert-Ludwig Ingold

 

„Eine Kraft aus dem Nichts: der Casimir-Effekt“

Schon bei den alten Griechen gab es Diskussionen darüber, ob es eine absolute Leere, also das, was wir üblicherweise als Vakuum verstehen, geben kann. Im 17. Jahrhundert dann führte Otto von Guerike ein Experiment durch, bei dem zwei Magdeburger Halbkugeln durch das Vakuum im Innern so stark zusammenpresst wurden, dass es nicht einmal Pferde schafften, diese Kugeln auseinanderzuziehen. Der Grund dafür ist, dass der Luftdruck innen sehr viel kleiner und schwächer ist, weil es ja ein Vakuum ist, als außen. Dies geht auch mit Licht: Zum Beispiel bei Kometen wird auch der Schweif durch den Druck des Sonnenlichts beeinflusst.

Beim Licht würde absolutes Vakuum absolute Dunkelheit bedeuten, wo es keine Energien mehr gibt. Die Quantenphysik beschäftigt sich eben mit der Frage, ob es so ein Vakuum geben kann. Aufgrund dieser Fragestellung erklärte uns, den beiden Physik-Kursen der Q12, Professor Gert-Ludwig Ingold in seinem Vortrag am 8. Dezember 2016 den Casimir-Effekt, der grob zusammengefasst Auskunft gibt, wie Kräfte im quantenmechanischen Vakuum entstehen können.

Professor Ingold hat mit einem leicht verständlichen Beispiel der klassischen Physik begonnen uns diesen Effekt näher zu bringen, und zwar mit einem Pendel: Vakuum bei einem Pendel bedeutet, dass es sich nicht bewegt, sondern einfach nur in seiner tiefsten Lage hängt. Dies steht aber im Widerspruch zur Quantenphysik, da es nach der Quantenmechanik nicht ruhig sein kann.

Um auch dem Astrophysik-Kurs dieses Thema näher zu bringen, hat er hierfür natürlich auch ein Beispiel gebracht: die Ausdehnung des Universums. Diese Expansion beschleunigt sich nämlich immer mehr und man sucht die Ursache für diese Ausdehnung. Diese Ursache, also „dunkle Energie“  könnte die Vakuumsenergie sein, die beinhaltet dass sich der  Druck mit dem Volumen des Vakuums vergrößert. Dieser Zusammenhang lässt sich messen und berechnen, doch bei den Berechnungen kommt man dann auf einen Unterschied von einer Nonillion (eine 1 mit 54 Nullen!). Ob die Vakuumsenergie aber wirklich die Ursache für die Expansion des Universums ist, ist noch unklar.

Dann kam Herr Prof. Ingold auch schon zu dem eigentlichen Thema, dem Casimir-Effekt. Diesen hat er uns zunächst anhand von zwei Abbildungen erklärt. Wir haben zwei unendlich ausgedehnte Spiegel (Casimir hat angenommen, dass sie unendlich ausgedehnt sind) und dazwischen befinden sich stehende Wellen. Pfeile, die auf die Spiegel hin gerichtet waren, haben je nach ihrer Länge die Größe der Frequenz angezeigt. An der Außenseite des Spiegels bedeuteten die Pfeile den Strahlungsdruck des elektromagnetischen Feldes. Der Druck im Inneren ist dort größer, wo das Feld stärker ist als normal. Anwendungsbereiche, wo man diesen Casimir-Effekt finden kann, sind die Beschleunigungssensoren bei Tablets, die schwingen können und sich bewegen wenn man das Tablet bewegt. Die einzelnen Platten der Bewegungssensoren sind sehr nah beieinander, aber zum Glück sind die Abstände noch nicht klein genug, dass sie dabei aneinander kleben bleiben könnten – sonst wäre der Sensor kaputt. Die Abstände hier sind zwar noch zu groß, dass der Casimir-Effekt wirken kann, doch in der Theorie wäre es möglich, dass er wirkt.

Als Beispiel der Anwendung von Kräften wie den Casimirkräften  betrachteten wir den Gecko und seine Fähigkeit, die Wand hoch zu laufen. Oft wird vermutet, dass der Gecko dazu aufgrund einer Flüssigkeit auf seinen Füße fähig ist, jedoch erklärte uns Professor Ingold, dass dieses Phänomen einer physikalischen Kraft, ähnlich wie dem Casimireffekt, zu verdanken ist: der Van der Waals Kraft. Die Van der Waals Kraft tritt im Gegensatz zu dem Casimireffekt nur bei sehr kleinen Abständen, im Nanometerbereich auf und stellt im Allgemeinen eine Wechselwirkung von Atomen dar.

Abschließend stellte uns Professor Ingold eine Kollegin in Paris vor, Frau Astrid Lambrecht, und ermutigte uns, auch als Frauen ein Physikstudium zu besuchen, da diese seines Erachtens noch viel zu wenig in dieser Wissenschaft vertreten sind. Der Vortrag von Prof. Ingold, seine ruhige, verständliche Art komplizierte physikalische Dinge zu erklären hat uns alle beeindruckt. Vielen Dank für Ihr Kommen, Herr Prof. Ingold!


Natascha Seidel und Antonia Lammel, Q12