Universität Konstanz - 01.10.2015
Signale aus dem absoluten Nichts
Konstanzer Physikern gelang die direkte Messung von Vakuum-Fluktuationen
Welche Eigenschaften hat das Vakuum, das absolute Nichts? Physiker gingen bislang davon aus, dass es nicht möglich sei, die Eigenschaften des Nichts - des Grundzustandes des leeren Raumes - direkt zu vermessen. Einem Team von Konstanzer Physikern um Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer ist nun durch weltweit führende optische Messtechniken genau dies gelungen. Mit Lichtimpulsen, die kürzer sind als eine halbe Lichtschwingung im untersuchten Spektralbereich, konnten sie sogenannte Vakuum-Fluktuationen beobachten. Diese Felder existieren selbst im absoluten Nichts und bei totaler Dunkelheit, also auch dann, wenn die Intensität des Lichts und der Radiowellen komplett verschwindet. Die Forschungsergebnisse sind von fundamentaler Bedeutung für die Weiterentwicklung der Quantenphysik. Sie werden im renommierten Wissenschaftsjournal Science veröffentlicht; eine Online-Version erscheint bereits am 1. Oktober 2015.
Die Existenz von Vakuum-Fluktuationen war in der Theorie bereits bekannt,
sie folgt aus der Heisenbergschen Unschärferelation. Diese besagt, dass
elektrische und magnetische Felder niemals gleichzeitig verschwinden
können. Daher treten selbst im Grundzustand von Licht und Radiowellen,
also in absoluter Dunkelheit, endliche Schwankungen des
elektromagnetischen Feldes auf. Ein unmittelbarer experimenteller Nachweis
dieses grundlegenden Phänomens galt bislang aber als ausgeschlossen. Es
wurde davon ausgegangen, dass sich Vakuum-Fluktuationen stets nur indirekt
in der Natur manifestieren, in einem breiten Spektrum an Konsequenzen.
Diese reichen von der spontanen Lichtemission angeregter Atome
beispielsweise in einer Leuchtstoffröhre bis zu Einflüssen auf die
Struktur des Universums bereits während des Urknalls.
Veranschaulichung von Vakuum-Fluktuationen
Bilderläuterung: Vakuum-Fluktuationen lassen sich als grundlegende
Schwankungen des Lichtfeldes selbst in der totalen Dunkelheit vorstellen,
deren positive (rot) und negative (blau) Bereiche zufällig im Raum
verteilt sind und sich ständig mit hoher Geschwindigkeit ändern - ähnlich
dem weißen Rauschen auf einem Bildschirm ohne Signaleingang. Die
Ausschläge werden umso größer, je kleiner die Raumbereiche und Zeiten
sind, über die ein Messinstrument mittelt. Daher tastet das Experiment von
Riek et al. ein minimales Raum-Zeit-Volumen ab, dessen laterale
Dimensionen Delta x und Delta y durch die starke Fokussierung des Abtast-
Laserstrahls festgelegt sind. Die räumliche Länge Delta z und zeitliche
Dauer Delta t des Femtosekunden-Abtastimpulses (grün) sind über die
Lichtgeschwindigkeit miteinander verknüpft und definieren die
longitudinale Ausdehnung. Die Schwankungsbandbreite Delta E des
elektrischen Vakuum-Feldes folgt dann aus einem relativ einfachen
mathematischen Zusammenhang, in den außer dem vierdimensionalen
Abtastvolumen Delta x Delta y Delta z Delta t nur fundamentale
Naturkonstanten eingehen: Das Planck'sche Wirkungsquantum ℏ und die
Permittivität des Vakuums Epsilon 0.
© Claudius Riek
Aufbauten zur Messung elektrischer Felder mit extrem hoher zeitlicher Auflösung und Empfindlichkeit haben es nun ermöglicht, allen Vermutungen zum Trotz Vakuum-Fluktuationen direkt zu detektieren. Weltführende optische Technologien und spezielle Ultrakurzpuls-Lasersysteme höchster Stabilität bilden die Grundlage dieser Studie an der Universität Konstanz. Diese Technologien wurden vom Konstanzer Forschungsteam selbst entwickelt, das zudem eine genaue Beschreibung der Resultate auf Basis der Quantenfeldtheorie erarbeitet hat. Die zeitliche Auflösung des Experiments liegt im Femtosekundenbereich - dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Gemessen wurde mit einer nur noch durch die Quantenphysik begrenzten Empfindlichkeit. "Wir können durch diese extreme Präzision erstmalig direkt sehen, dass wir ständig von elektromagnetischen Vakuum-Fluktuationsfeldern umgeben sind", zieht Alfred Leitenstorfer sein Fazit.
"Das wissenschaftlich Überraschende an unseren Messungen ist, dass wir direkt Zugriff auf den Grundzustand eines Quantensystems gewinnen, ohne diesen zu verändern, beispielsweise durch Verstärkung auf endliche Intensität", erläutert Leitenstorfer, der von den Forschungsergebnissen selbst überrascht ist: "Es hat uns ein paar Jahre lang schlaflose Nächte beschert - wir mussten alle Möglichkeiten eventueller Störsignale ausschließen", schmunzelt der Physiker. "Insgesamt stellt sich heraus, dass unser Zugang auf elementaren Zeitskalen, also kürzer als eine Schwingungsperiode der untersuchen Lichtwellen, den Schlüssel darstellt zum Verständnis der überraschenden Möglichkeiten, die unser Experiment erschließt."
Das Projekt wird im Rahmen eines "ERC Advanced Grant" des Europäischen Forschungsrates gefördert.
Originalpublikation:
C. Riek, D. V. Seletskiy, A. S. Moskalenko, J. F. Schmidt, P. Krauspe, S.
Eckart, S. Eggert, G. Burkard, and A. Leitenstorfer:
"Direct Sampling of Electric-Field Vacuum Fluctuations"
Online-Version ab 1. Oktober 2015 in Science Express unter:
www.sciencemag.org/content/early/recent
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung unter:
http://idw-online.de/de/institution1282
*
Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft e. V. - idw - Pressemitteilung
Universität Konstanz, Julia Wandt, 01.10.2015
WWW: http://idw-online.de
E-Mail: service@idw-online.de
veröffentlicht im Schattenblick zum 6. Oktober 2015
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