Vakuummoden

Vakuummoden bezeichnet die Normalmoden eines elektromagnetischen Feldes im Vakuum. Sie entstehen durch Geometrie und Randbedingungen eines Raums, in dem das Feld frei oder in Strukturen wie Hohlräumen, Wellenleitern oder zwischen Platten vorhanden ist. Die Moden bilden eine Folge zulässiger Frequenzen, deren genaue Werte vom Aufbau abhängen.

In der Quantenfeldtheorie lassen sich alle Feldmoden als unabhängige, quantisierte Harmonische Oszillatoren behandeln. Auch im Vakuum besitzt jeder Modus eine Nullpunktsenergie. Die Moden sind damit Quelle von Vacuum fluctuations, den ständigen Fluktuationen des Felddesatzes, die auch bei T=0 auftreten.

Vacuum modes spielen eine zentrale Rolle bei mehreren Effekten. Der Casimir-Effekt entsteht aus der unterschiedliche Summation der Nullpunktsenergien der Moden zwischen nahe beieinanderliegenden Oberflächen und den Moden außerhalb, was zu messbaren Anziehungskräften führt. Die Lamb-Verschiebung beschreibt eine feine Verschiebung von Atomenergieniveaus aufgrund der Kopplung an die fluktuierenden Vakuummoden. Die Gesamteigenschaften des Vakuums hängen also stark von Randbedingungen und Geometrie ab.

Berechnungen der Vakuummoden umfassen die Lösung der Feldgleichungen mit den entsprechenden Randbedingungen, wodurch Frequenzen ωn und die Modendichte g(ω) bestimmt werden. In abgeschlossenen Hohlräumen sind Moden diskret, im freien Raum praktisch kontinuierlich. Beobachtungen erfolgen meist indirekt über Messungen von Vacuum fluctuations oder über Experimente in der Quantenoptik, die den Vakuumzustand |0> und seine Fluktuationen nutzen.

Vakuummoden bilden daher eine fundamentale Grundlage für das Verständnis des Vakuums in der Quantenphysik und deren Auswirkungen in Theorie und Experiment.