Signale aus dem leeren Raum: Physikern gelingt es, Vakuumschwankungen direkt zu erfassen | 2020

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Anonim

Die Existenz von Vakuumfluktuationen ist bereits aus der Theorie bekannt, wie sie sich aus dem Heisenbergschen Unschärferelation ergibt, einer der Hauptpfeiler der Quantenphysik. Dieses Prinzip schreibt vor, dass elektrische und magnetische Felder niemals gleichzeitig verschwinden können. Infolgedessen ist sogar die völlige Dunkelheit mit endlichen Schwankungen des elektromagnetischen Feldes gefüllt, die den Quantengrundzustand von Licht und Radiowellen darstellen. Ein direkter experimenteller Nachweis dieses Grundphänomens wurde bisher jedoch als unmöglich angesehen. Stattdessen wird in der Regel davon ausgegangen, dass sich Vakuumschwankungen nur indirekt in der Natur manifestieren. Durch spontane Emission von Licht durch angeregte Atome, z.B. in einer fluoreszierenden Röhre, um die Struktur des Universums während des Urknalls zu beeinflussen: Dies sind nur einige Beispiele, die die allgegenwärtige Rolle des Konzepts von Vakuumschwankungen in der modernen physikalischen Beschreibung der Welt hervorheben.

Ein Versuchsaufbau zur Messung elektrischer Felder mit extrem hoher zeitlicher Auflösung und Empfindlichkeit hat es nun ermöglicht, Vakuumschwankungen trotz aller gegenteiligen Annahmen direkt zu erfassen. Weltweit führende optische Technologien und Ultrakurzpulslasersysteme mit extremer Stabilität liefern das für diese Studie erforderliche Know-how. Das Forschungsteam der Universität Konstanz hat diese Technologien im eigenen Haus entwickelt und die Ergebnisse auf Basis der Quantenfeldtheorie genau beschrieben. Die in ihrem Experiment erreichte zeitliche Präzision liegt im Femtosekundenbereich - ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Die Empfindlichkeit ist nur durch die Prinzipien der Quantenphysik begrenzt. "Diese extreme Präzision hat es uns ermöglicht, zum ersten Mal zu sehen, dass wir ständig von den Feldern elektromagnetischer Vakuumschwankungen umgeben sind", resümiert Alfred Leitenstorfer.

"Wissenschaftlich überraschend und besonders faszinierend bei unseren Messungen ist, dass wir einen direkten Zugang zum Grundzustand eines Quantensystems erhalten, ohne es zu verändern, beispielsweise durch Verstärkung auf eine endliche Intensität", erklärt Leitenstorfer. Er war von den Forschungsergebnissen selbst verblüfft: "Wir hatten einige Jahre lang manchmal schlaflose Nächte - alle Möglichkeiten potenziell störender Signale mussten ausgeschlossen werden", lächelt der Physiker. "Insgesamt haben wir herausgefunden, dass unser Zugriff auf elementare Zeitskalen, die kürzer sind als die Oszillationsperiode der von uns untersuchten Lichtwellen, der Schlüssel zum Verständnis der überraschenden Möglichkeiten ist, die unser Experiment eröffnet."

Der Europäische Forschungsrat unterstützt dieses Projekt mit einem "ERC Advanced Grant".