Der Casimir-Effekt wurde erstmals von dem Physiker Hendrik Brugt Gerhard Casimir im Jahre 1948 berechnet und vorhergesagt. Der experimentelle Nachweis folgte 1956. Der Effekt besagt, dass sich zwei parallele Metallplatten (bzw. leitfähige Platten) im Vakuum anziehen, beziehungsweise eine Kraft, die Casimir-Kraft, wirkt, die die Platten zusammendrückt [1] [2] [3] [4] [5].
Um den Casimir-Effekt zu erklären, sollte erst einmal geklärt werden, aus was ein Vakuum besteht. Ein Vakuum ist ein Quantenfeld, also eine Überlagerung aus verschiedenen Feldkonfigurationen mit großen und kleinen Wellenlängen. Die Quantenfeldtheorie besagt, dass jedes Vakuum Energie, die sogenannte Nullpunktsenergie oder Vakuumenergie, enthält, welche allerdings nicht entzogen werden kann, da das Vakuum bereits den Zustand der niedrigsten Energie beschreibt. Hinter diesem „Nichts“ des Quantenvakuums befindet sich jedoch ein sehr komplexes Gebilde, wodurch es unmöglich ist, einen Raum von allen Teilchen zu entleeren. Die Partikel in diesem scheinbar leeren Raum existieren immer nur kurzzeitig, es existieren also Fluktuationen im Quantenvakuum [2], [3].
Der Casimir-Effekt basiert auf der Tatsache, dass ein elektrisches Feld auf parallelen Metallplatten nur senkrecht stehen kann. Dadurch werden die Möglichkeiten, wie sich diese Felder in dem Bereich zwischen den Platten ausbilden können, stark eingeschränkt und Konfigurationen mit Wellenlängen größer als der Plattenabstand sind nicht mehr möglich. Das Vakuum befindet sich in diesem Bereich in einem anderen Zustand als im „ungestörten“ Vakuum. Durch dieses Einschränken der Möglichkeiten sinkt dort die Nullpunktsenergie. Schiebt man die Platten nun noch näher zusammen verstärkt sich dieser Effekt weiter, die Platten ziehen sich an und eine kleine, aber messbare Energie wird gewonnen [1], [2].
Der Casimir-Effekt hat besonders in den letzten Jahren wieder mehr an Bedeutung und Aktualität gewonnen, da moderne Messtechniken wie zum Beispiel atomare Kraftmikroskopie dazu geführt haben, immer kleinere Kräfte mit deutlich höherer Genauigkeit messen zu können. Auch aus technologischer Sicht erhöhte sich das Interesse, da die Casimir-Kraft besonders bei Miniaturmaschinen im Mikro- und Nanometerbereich wichtig wird. In der Grundlagenforschung und besonders bezüglich des Bestrebens, die Gravitationstheorie, die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu vereinigen spielt die Casimir-Kraft ebenfalls eine wichtige Rolle, besonders wenn es darum geht die von Physikern vorausgesetzten fundamentalen Kräfte experimentell nachzuweisen. Da diese Kräfte das Newtonsche Gravitationsgesetzt für Distanzen im Submillimeterbereich ändern, muss hier die Casimir-Kraft berücksichtigt vorausgesagt und berechnet werden können [6].
[1] Spektrum: Lexikon der Astronomie: Casimir-Effekt; (Link: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/casimir-effekt/61), aufgerufen am 14.05.2020 [2] Physik Cosmos indirekt; (Link: https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Casimir-Effekt), aufgerufen am 14.05.2020 [3] Spektrum: Lexikon der Astronomie: Quantenvakuum; (Link: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/quantenvakuum/376), aufgerufen am 18.05.2020 [4] Plunien, Günter; Müller, Berndt; Greiner, Walter: The Casimir effect; Physics Reports Volume 134; 03/1986 [5] Casimir, H. B. G.: Mathematics. – On the attraction between two perfectly conducting plates; Gems from a century of science 1898-1997; 29.05.1948 [6] Lambrecht, Astrid: Das Vakuum kommt zu Kräften; Physik Unserer Zeit, 2005Weiterführende Literatur:
[7] Milton, Kimball A.: The Casimir Effect: Physical Manifestations of Zero-Point Energy; University of Oklahhoma, 02/2008 [8] Antonini, P.; Bimonte, G.; et. Al.: An experimental apparatus for measuring the Casimir effect at large distances; 12/2008 [9] Quach, James Q.: Gravitational Casimir effect, 02/2015 [10] Mostepanenko, V. M.: Experiment, theory and the Casimir effect, 03/2009 [11] Bachmann, Sven; Kempf, Achim: The Transplanckian Question and the Casimir Effect, 04/2005 [12] Bordag, M.; Mohideen, U.; Mostepanenko, V. M.: New developments in the Casimir effect; Physics Reports Volume 353; 10/2001