Energieniveaus von Atomen können durch Felder verschoben werden. Bei bestimmten Termen des Wasserstoffatoms oder wasserstoffähnlicher Ionen spricht man dann ursprünglich von der Lamb-Shift als einer Energieabsenkung, nach dem Entdecker Willis Eugene Lamb (Nobelpreis 1955) und seinem Studenten Robert C. Retherford (1947).
Die Lamb-Shift kann man durch verschiedene Möglichkeiten veranschaulichen, die aber letztlich alle auf die Vakuumfluktuationen der Quantenelektrodynamik zurückzuführen sind. Die Erklärung dieser Energieabsenkung und die hervorragende Übereinstimmung mit den Messungen gilt als ein großer Triumph der modernen Physik.
Der Energieerhaltungssatz gilt im Mikrokosmos innerhalb extrem kurzer Zeiträume nicht, er wird durch die Unbestimmtheitsbeziehung zwischen Energie und Zeit ersetzt: Energie kann einfach vorhanden sein, und zwar um so mehr, je kürzer der betrachtete Zeitraum ist.
Das nennt man Vakuumfluktuation: Photonen oder Teilchen-Antiteilchen-Paare (auch geladene!) tauchen als Struktur des Vakuums auf. Elektrische Felder fluktuieren und schieben die Elektronen in den Atomen geringfügig hin und her...das Vakuum wirkt wie ein polarisiertes Dielektrikum, durch das die Elektronenenergie leicht gesenkt wird.
Als Fluktuation kann aber auch ein Photon auftauchen und wieder verschwinden. Das wirkt so als würde das Atom, bevor das Elektron in den Grundzustand übergeht, mehrmals ein Photon aussenden und wieder selbst absorbieren. Letztlich führt das zu einer Energieabsenkung des Übergangs zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand. Solche Prozesse mit virtuellen Photonen oder Teilchen-Antiteilchen-Paaren hat Feynman in der Quantenelektrodynamik präzise beschrieben.
Beim H-Atom liegt die Energieaufspaltung bei 4 MikroeV, bei wasserstoffähnlichen Uranionen bei 468 eV (Der Effekt wächst mit der vierten Potenz der Kernladungszahl Z).
Vor 35 Jahren wurde vorhergesagt, dass der Effekt bei Ansammlungen gleichartiger Atome stärker ist. Der anschauliche Grund besteht in der Kopplung der Atome über die Vakuumfluktuationen, also ein Atom kann die Energie freigeben, ein anderes Atom aufnehmen und wieder abstrahlen. Wie in einem Kollektiv hüpft die virtuelle Energie zwischen den Atomen hin - und her, bevor die Atome in den Grundzustand übergehen.
Eine Forschergruppe um Ralf Röhlsberger vom Hamburger DESY und der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESFR in Frankreich ist es nun gelungen diesen Kollektiveffekt mit einer neuen Messmethode nachzuweisen. Die Eisenatome befanden sich zwischen zwei nur wenige Nanometer voneinander entfernten Platinspiegeln. Die genaue Messung der Frequenzverschiebung geschah dann über den Mößbauereffekt.