Vakuum

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Glasglocke mit Kolben-Vakuumpumpe für Schulversuche

Als Vakuum wird in der Physik die weitgehende bzw. vollständige Abwesenheit von Materie in einem gegebenen Raum bezeichnet, die mit technischen Mitteln allerdings nur näherungsweise erzielt werden kann. Umgangssprachlich spricht man auch von einem weitgehend luftleeren Raum. Je nach dem herrschenden Restdruck wird zwischen einem Grobvakuum, einem Feinvakuum, einem Hoch- oder Ultrahochvakuum und einem extrem hohen Vakuum unterschieden. Die Frage, ob ein absolut leerer Raum grundsätzlich denkbar ist, wurde schon in der Antike von den griechischen Philosophen diskutiert.

„Vakuum heißt der Zustand eines Gases, wenn in einem Behälter der Druck des Gases und damit die Teilchenzahldichte niedriger ist als außerhalb oder wenn der Druck des Gases niedriger ist als 300 mbar, d. h. kleiner als der niedrigste auf der Erdoberfläche vorkommende Atmosphärendruck“

– DIN 28400 Teil 1 (Mai 1990): Vakuumtechnik; Benennungen und Definitionen; Allgemeine Benennungen.

Je nach dem herrschenden Restdruck wird zwischen einem Grobvakuum, einem Feinvakuum und einem Hoch- oder Ultrahochvakuum unterschieden.

Einordnung anhand der Druckbereiche
Einteilung des Vakkuums nach Druckbereichen Druck in hPa (mbar) Moleküle pro cm³ mittlere freie Weglänge
Normaldruck 1013,25 2,7 · 1019 68 nm
Unterdruck > 300 > 1019 < 0,1 µm
Grobvakuum 300…1 1019…1016 0,1…100 μm
Feinvakuum 1…10−3 1016…1013 0,1…100 mm
Hochvakuum (HV) 10−3…10−7 1013…109 100 mm…1 km
Ultrahochvakuum (UHV) 10−7…10−12 109…104 1…105 km
extrem hohes Vakuum (XHV) < 10−12 < 104 > 105 km
Ideales Vakuum (IV) 0 0

Nach der Definition der Quantenfeldtheorie ist das Vakuum der Zustand mit der geringstmöglichen Energie. Die Vakuumenergie ist daher stets größer null. Ein absolutes Vakuum bzw. ideales Vakuum ist praktisch nicht erreichbar, sondern ist ein rein theoretisches Konzept. Ein völlig leerer Raum ist nicht erreichbar. Aufgrund der quantenmechanisch bedingten Unschärferelation verbleibt auch bei tiefsten Temperaturen eine gewisse Nullpunktsenergie, aus der durch sogenannte Vakuumfluktationen bzw. durch die Vakuumpolarisation beständig virtuelle Teilchen erzeugt und wieder vernichtet werden. Dabei handelt es sich aber nicht um materiell fassbare Teilchen. Dennoch haben sie messbare Wirkungen, wie z.B. die Lamb-Verschiebung, durch die die entarteten Energieniveaus des Wasserstoffatoms aufgespalten werden.

„Wenn nun ein Physiker käme und sagen würde, daß gewisse Dinge innerhalb der physikalischen Forschung zwingen zu denken, daß ein solcher Zusammenhang der Naturkräfte angenommen werden müsse, durch den als möglich sich erweist, daß ohne die Voraussetzung eines materiellen Weltenäthers die Lichtstrahlen durch den Raum geleitet würden? Oder wenn dieser Physiker sagen würde, es müsse aus gewissen Tatsachen heraus heute schon angenommen werden, daß die Lichtwellen sich ohne einen materiellen Träger durch den Raum fortpflanzen? Und wenn dieser Physiker weiter sagen würde: Nun ja, das verstößt zwar gegen jede Art mechanischer Naturerklärung, aber wenn die physikalischen Tatsachen dieses herausfordern, dann ist eben die mechanische Naturanschauung rettungslos verloren. -Und wenn er dann noch weiter ginge und sagte: Was ist dann an die Stelle dessen zu setzen, was so lange als der Weltenäther von der Wissenschaft im materialistischen Sinne angenommen worden ist? Dann ist an dessen Stelle etwas zu setzen, dem vor allen Dingen keine materielle Eigenschaft zugeschrieben werden muß. An die Stelle dieses Weltenäthers ist nun etwas sehr Merkwürdiges zu setzen. - Und ich muß es immer wieder und wieder betonen: Im Sinne der heutigen Physik ist an die Stelle des Weltenäthers etwas sehr Merkwürdiges zu setzen. Nämlich an die Stelle des Äthers, der bisher das Licht durch den Raum fortpflanzen sollte, sollen nun gesetzt werden im mathematischen Sinne reine Gleichungen. Das sind Gedanken, Gedankengebilde. Und was sich da fortsetzt im Sinne von Gedankengebilden, das soll sich nicht durch Materie, sondern - wie man gelehrt sagt - durch das Vakuum, durch den leeren Raum fortsetzen. Das wird in bezug auf das Licht, das an keinen materiellen Stoff gebunden ist, als notwendig durch die Physik bezeichnet.

Wenn das vor einiger Zeit jemand gesagt hätte, in der Zeit der materialistischen oder monistischen Hochflut, so hätte man wahrscheinlich vorausgesetzt, das sei auch so ein vertrackter Vertreter einer geistigen Weltanschauung, denn nur ein solcher könne behaupten, daß das Licht ohne einen materiellen Träger durch den Raum fließt. Aber das hat kein Mystiker gesagt, das ist auch nicht in einer Versammlung gesagt worden, wo man den Leuten alles mögliche auftischen kann, sondern das ist von dem Physiker der Berliner Universität, Max Planck, im September 1910 auf der 82. Naturforscherversammlung in Königsberg gesagt worden[1].“ (Lit.:GA 61, S. 15f)

Literatur

Einzelnachweise

  1. Max Planck: Die Stellung der neueren Physik zur mechanischen Naturanschauung, in: Max Planck, Klaus-Dieter Sedlacek (Hrsg.): Wege zur Physikalischen Erkenntnis, S. 42ff.
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