Quantenphysik: Licht aus Vakuum erzeugt
© John Foxx Images (Ausschnitt)
Laut der Quantenfeldtheorie ist das Vakuum alles andere als leer – ständig bilden sich dort so genannte virtuelle Teilchen, die kurz darauf wieder verschwinden. Wissenschaftler um Christopher Wilson von der Technischen Hochschule Chalmers im schwedischen Göteborg haben nun erstmals einige solcher virtuellen in reale Photonen, also messbares Licht, umgewandelt.
Der Physiker Gerald Moore hatte bereits 1970 vorgeschlagen, dass dieses Phänomen auftreten sollte, wenn virtuelle Photonen von einem nahezu lichtschnellen Spiegel abprallen. "Da es unmöglich ist, einen Spiegel schnell genug zu bewegen, haben wir eine andere Methode entwickelt", erklärt Koautor Per Delsing von der Technischen Hochschule Chalmers. Anstatt den räumlichen Abstand zu einem echten Spiegel zu ändern, manipulierten die Forscher in ihrem Experiment die elektrische Länge in einem Wellenleiter. Für virtuelle Lichtteilchen bietet dies dieselben zeitlich variierenden Randbedingungen wie bei einem genügend schnell bewegten Spiegel, schreiben Wilson und seine Kollegen.
An einem Ende des Wellenleiters montierten sie dafür ein quantenelektronisches Bauteil namens SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), das äußerst empfindlich auf Magnetfelder reagiert. Indem das Team die Richtung eines angelegten Magnetfelds nun mehrere Milliarden Mal pro Sekunde änderte, schwang der fiktive Spiegel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 25 Prozent der Lichtgeschwindigkeit hin und her. Einen Teil seiner kinetischen Energie übertrug er dabei auf virtuelle Photonen, die daraufhin gewissermaßen materialisierten.
Am offenen Ende des Wellenleiters konnte die Forschergruppe die Photonenpaare aus dem Vakuum dann tatsächlich in Form von Mikrowellenstrahlung messen. Die Frequenz der Photonen entsprach etwa der Hälfte der Schwingungsfrequenz des fingierten Spiegels – genau wie von der Quantentheorie vorhergesagt, berichtet Delsing. In verschiedenen Tests schlossen die Wissenschaftler andere mögliche Quellen für die nachgewiesenen Photonen, wie beispielsweise thermische Strahlung, aus. Man habe also tatsächlich den von Moore beschriebenen dynamischen Casimir-Effekt beobachtet.
Neben Photonen existieren auch andere virtuelle Teilchen im Vakuum, etwa Elektronen oder Protonen. Da Lichtquanten keine Masse besitzen, sei relativ wenig Energie erforderlich, um sie aus ihrem virtuellen Zustand heraus anzuregen und so in einen realen, messbaren Zustand zu überführen, berichten die Forscher. Im Prinzip könne man durch entsprechende Energiezufuhr aber auch andere Partikel aus dem Vakuum erzeugen. (mp)
Der Physiker Gerald Moore hatte bereits 1970 vorgeschlagen, dass dieses Phänomen auftreten sollte, wenn virtuelle Photonen von einem nahezu lichtschnellen Spiegel abprallen. "Da es unmöglich ist, einen Spiegel schnell genug zu bewegen, haben wir eine andere Methode entwickelt", erklärt Koautor Per Delsing von der Technischen Hochschule Chalmers. Anstatt den räumlichen Abstand zu einem echten Spiegel zu ändern, manipulierten die Forscher in ihrem Experiment die elektrische Länge in einem Wellenleiter. Für virtuelle Lichtteilchen bietet dies dieselben zeitlich variierenden Randbedingungen wie bei einem genügend schnell bewegten Spiegel, schreiben Wilson und seine Kollegen.
An einem Ende des Wellenleiters montierten sie dafür ein quantenelektronisches Bauteil namens SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), das äußerst empfindlich auf Magnetfelder reagiert. Indem das Team die Richtung eines angelegten Magnetfelds nun mehrere Milliarden Mal pro Sekunde änderte, schwang der fiktive Spiegel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 25 Prozent der Lichtgeschwindigkeit hin und her. Einen Teil seiner kinetischen Energie übertrug er dabei auf virtuelle Photonen, die daraufhin gewissermaßen materialisierten.
Am offenen Ende des Wellenleiters konnte die Forschergruppe die Photonenpaare aus dem Vakuum dann tatsächlich in Form von Mikrowellenstrahlung messen. Die Frequenz der Photonen entsprach etwa der Hälfte der Schwingungsfrequenz des fingierten Spiegels – genau wie von der Quantentheorie vorhergesagt, berichtet Delsing. In verschiedenen Tests schlossen die Wissenschaftler andere mögliche Quellen für die nachgewiesenen Photonen, wie beispielsweise thermische Strahlung, aus. Man habe also tatsächlich den von Moore beschriebenen dynamischen Casimir-Effekt beobachtet.
Neben Photonen existieren auch andere virtuelle Teilchen im Vakuum, etwa Elektronen oder Protonen. Da Lichtquanten keine Masse besitzen, sei relativ wenig Energie erforderlich, um sie aus ihrem virtuellen Zustand heraus anzuregen und so in einen realen, messbaren Zustand zu überführen, berichten die Forscher. Im Prinzip könne man durch entsprechende Energiezufuhr aber auch andere Partikel aus dem Vakuum erzeugen. (mp)
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