Signale aus dem absoluten Nichts: Vakuum-Fluktuationen doch messbar

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Veranschaulichung von Vakuum-Fluktuationen

Copyright: Claudius Riek

Konstanz (Deutschland) – Kann man Eigenschaften des absoluten Nichts, des Vakuums, messen? Bislang glaubten Wissenschaftler, dass dies nicht möglich sei. Konstanzer Physiker haben nun das Gegenteil bewiesen und sogenannte Vakuum-Fluktuationen von Quanten gemessen, deren Existenz bislang nur theoretisch als erwiesen galt.

Wie das Team um Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer von der Universität Konstanz aktuell im Fachjournal „Science“ (DOI: 10.1126/science.aac9788) berichtet, existieren diese Felder selbst im absoluten Nichts und bei völliger Dunkelheit, wenn Licht und Radiowellen komplett verschwinden.

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Die Existenz von Vakuum-Fluktuationen ergibt sich aus der Heisenbergschen Unschärferelation, die besagt, dass elektrische und magnetische Felder niemals gleichzeitig verschwinden können. Somit müssen selbst im Grundzustand von Licht und Radiowellen, also in absoluter Dunkelheit, endliche Schwankungen des elektromagnetischen Feldes auftreten. Ein unmittelbarer experimenteller Nachweis dieses grundlegenden Phänomens galt bislang aber als ausgeschlossen, da Forscher davon ausgingen, 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“, erläutert die Pressemitteilung der Universität Konstanz.

Mit Lichtimpulsen, die kürzer sind als eine halbe Lichtschwingung im untersuchten Spektralbereich, konnten die Fluktuationen nun experimentell nachgewiesen werden. Durch die extreme Präzision im Femtosekundenbereich – also dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde – konnten die Forscher also erstmals direkt beobachten, „dass wir ständig von elektromagnetischen Vakuum-Fluktuationsfeldern umgeben sind“, so Leitenstorfer und führt abschließend – von den Ergebnissen selbst überrascht – weiter aus: „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. Es hat uns ein paar Jahre lang schlaflose Nächte beschert – wir mussten alle Möglichkeiten eventueller Störsignale ausschließen. 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.“ Die Forschungsergebnisse sind von fundamentaler Bedeutung für die Weiterentwicklung der Quantenphysik.

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