Astrophysik: Dunkle Energie im Labor
Woran sich ein Heer von Astronomen bislang die Zähne ausbeißt, wollen zwei Wissenschaftler nun in einem Versuch mit Supraleitern aufklären: Hat die Dunkle Energie, die das Universum aufbläht, etwas mit den virtuellen Teilchen im Vakuum zu tun?
© NASA / ESA, STScI, Steve Beckwidth / HUDF Team (Ausschnitt)
Noch vor wenigen Jahren war die Welt der Astrophysiker in bester Ordnung. Nach gängiger Theorie breitete sich das Universum seit dem Urknall vor gut 14 Milliarden Jahren stetig aus. Gebremst wurde diese Dynamik ausschließlich durch die Anziehungskraft der in ihr wohnenden Massen, bestehend aus Sonnen, Galaxien und Schwarzen Löchern. Die spannendste Frage war: Kommt die Expansion irgendwann einmal zum Erliegen?
Doch vor gut sechs Jahren entdeckten die Wissenschaftler bei Präzisionsmessungen an Supernovae die dunkle Seite der Schwerkraft: Offenbar gibt es irgendetwas, dass so wirkt wie eine abstoßende Kraft, die das Universum immer schneller auseinander treibt. In Ermangelung besseren Wissens nennen Astronomen diese unbekannte Komponente "Dunkle Energie", da sie weder Licht aussendet noch absorbiert. Das genaue Wesen dieser Antischwerkraft kennen sie jedoch nicht. Immerhin, nach jüngsten Berechnungen macht sie mit 70 Prozent den Löwenanteil des Universums aus. Gut 25 Prozent des Kosmos besteht aus einer ebenso ominösen Dunklen Materie, deren Gravitation jedoch wie gewohnt anziehend ist, und nur fünf Prozent des Alls ist normale Materie und besteht aus den uns bekannten Teilchen wie Protonen oder Elektronen.
Ein heißer Kandidat für die Dunkle Energie sind die Quantenfluktuationen des Vakuums. Gemäß der Heisenberg´schen Unschärferelation entstehen selbst im absoluten Nichts spontan virtuelle Teilchen, die innerhalb kürzester Zeit wieder verschwinden. Doch alle Versuche, die Dunkle Energie aus der Vakuumfluktuation zu berechnen sind kläglich gescheitert: Die Theoretiker verfehlten den aus astronomischen Beobachtungen gewonnenen Wert um viele Größenordnungen. Die besten Resultate sind um 55 Zehnerpotenzen zu groß. Um es noch einmal deutlich zu sagen: Hier ist nicht der Faktor 55 gemeint, sondern eine unaussprechlich große Zahl, die aus einer eins mit 55 Nullen besteht!
Nun schlagen Christian Beck von der Queen-Mary-Universität in London und Michael Mackey von der McGill Universität in Montreal vor, die Stärke der Quantenfluktuationen im Laborversuch zu bestimmen. Was Theoretikern bislang missglückte, soll nun in einem vergleichsweise simplen Experiment gelingen. Dazu analysierten sie das Rauschen eines so genannten Josephson-Kontakts. In diesem Schaltelement tunneln Cooper-Paare – das sind zwei miteinander gekoppelte Elektronen – durch eine hauchdünne, isolierende Schicht von einem Supraleiter zu einem anderen. Dadurch fließt ein Strom, dem ein Rauschen überlagert ist. Bei extrem tiefen Temperaturen dominieren die quantenmechanischen Nullpunktsschwingungen das Rauschen. Sie entsprechen den Quantenfluktuationen. Thermische Effekte spielen dagegen eine untergeordnete Rolle.
Für ihre Berechnungen zogen Beck und Mackey zunächst einen Versuch heran, den Roger Koch und sein Forscherteam bereits 1982 am Lawrence-Berkeley-Laboratorium in Kalifornien durchführten. Die Wissenschaftler maßen damals das Frequenzspektrum der Stromfluktuationen von Josephson-Kontakten, die auf wenige Millikelvin heruntergekühlt worden waren. Beck und Mackey schätzten daraufhin die Energiedichte der Nullpunktsschwingungen ab und erhielten eine untere Grenze für die Dunkle Energie von 0,062 Gigaelektronenvolt pro Kubikmeter. Damit liegen sie nur um einen Faktor von etwa 50 daneben. Denn nach astrophysikalischen Beobachtungen liegt der Wert bei 3,9 Gigaelektronenvolt pro Kubikmeter.
Die exakte Bestimmung der Vakuumenergie war mit dem Experiment von Koch noch nicht ausreichend genau möglich, weil seine Messapparatur für diese Frage nicht ausgelegt war. Nach Berechnungen der Forscher sollte man mit moderneren Josephson-Kontakten jedoch in die richtige Größenordnung gelangen und damit den Zusammenhang von Vakuumfluktuation und Dunkler Energie bestätigen können. Das gliche einer Sensation.
Falls die Annahmen von Beck und Mackey nicht zutreffen sollten, hätten die Arbeiten dennoch einen Sinn: Denn dann kann man mit großer Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, dass die Dunkle Energie nichts mit der Quantenfluktuation des Vakuums zu tun hat. Und die Theoretiker dürften sich weiterhin die Köpfe über diese merkwürdige Kraft zerbrechen, die das Universum auseinander drückt.
Doch vor gut sechs Jahren entdeckten die Wissenschaftler bei Präzisionsmessungen an Supernovae die dunkle Seite der Schwerkraft: Offenbar gibt es irgendetwas, dass so wirkt wie eine abstoßende Kraft, die das Universum immer schneller auseinander treibt. In Ermangelung besseren Wissens nennen Astronomen diese unbekannte Komponente "Dunkle Energie", da sie weder Licht aussendet noch absorbiert. Das genaue Wesen dieser Antischwerkraft kennen sie jedoch nicht. Immerhin, nach jüngsten Berechnungen macht sie mit 70 Prozent den Löwenanteil des Universums aus. Gut 25 Prozent des Kosmos besteht aus einer ebenso ominösen Dunklen Materie, deren Gravitation jedoch wie gewohnt anziehend ist, und nur fünf Prozent des Alls ist normale Materie und besteht aus den uns bekannten Teilchen wie Protonen oder Elektronen.
Ein heißer Kandidat für die Dunkle Energie sind die Quantenfluktuationen des Vakuums. Gemäß der Heisenberg´schen Unschärferelation entstehen selbst im absoluten Nichts spontan virtuelle Teilchen, die innerhalb kürzester Zeit wieder verschwinden. Doch alle Versuche, die Dunkle Energie aus der Vakuumfluktuation zu berechnen sind kläglich gescheitert: Die Theoretiker verfehlten den aus astronomischen Beobachtungen gewonnenen Wert um viele Größenordnungen. Die besten Resultate sind um 55 Zehnerpotenzen zu groß. Um es noch einmal deutlich zu sagen: Hier ist nicht der Faktor 55 gemeint, sondern eine unaussprechlich große Zahl, die aus einer eins mit 55 Nullen besteht!
Nun schlagen Christian Beck von der Queen-Mary-Universität in London und Michael Mackey von der McGill Universität in Montreal vor, die Stärke der Quantenfluktuationen im Laborversuch zu bestimmen. Was Theoretikern bislang missglückte, soll nun in einem vergleichsweise simplen Experiment gelingen. Dazu analysierten sie das Rauschen eines so genannten Josephson-Kontakts. In diesem Schaltelement tunneln Cooper-Paare – das sind zwei miteinander gekoppelte Elektronen – durch eine hauchdünne, isolierende Schicht von einem Supraleiter zu einem anderen. Dadurch fließt ein Strom, dem ein Rauschen überlagert ist. Bei extrem tiefen Temperaturen dominieren die quantenmechanischen Nullpunktsschwingungen das Rauschen. Sie entsprechen den Quantenfluktuationen. Thermische Effekte spielen dagegen eine untergeordnete Rolle.
Für ihre Berechnungen zogen Beck und Mackey zunächst einen Versuch heran, den Roger Koch und sein Forscherteam bereits 1982 am Lawrence-Berkeley-Laboratorium in Kalifornien durchführten. Die Wissenschaftler maßen damals das Frequenzspektrum der Stromfluktuationen von Josephson-Kontakten, die auf wenige Millikelvin heruntergekühlt worden waren. Beck und Mackey schätzten daraufhin die Energiedichte der Nullpunktsschwingungen ab und erhielten eine untere Grenze für die Dunkle Energie von 0,062 Gigaelektronenvolt pro Kubikmeter. Damit liegen sie nur um einen Faktor von etwa 50 daneben. Denn nach astrophysikalischen Beobachtungen liegt der Wert bei 3,9 Gigaelektronenvolt pro Kubikmeter.
Die exakte Bestimmung der Vakuumenergie war mit dem Experiment von Koch noch nicht ausreichend genau möglich, weil seine Messapparatur für diese Frage nicht ausgelegt war. Nach Berechnungen der Forscher sollte man mit moderneren Josephson-Kontakten jedoch in die richtige Größenordnung gelangen und damit den Zusammenhang von Vakuumfluktuation und Dunkler Energie bestätigen können. Das gliche einer Sensation.
Falls die Annahmen von Beck und Mackey nicht zutreffen sollten, hätten die Arbeiten dennoch einen Sinn: Denn dann kann man mit großer Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, dass die Dunkle Energie nichts mit der Quantenfluktuation des Vakuums zu tun hat. Und die Theoretiker dürften sich weiterhin die Köpfe über diese merkwürdige Kraft zerbrechen, die das Universum auseinander drückt.
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