Vakuumfluktuationen

Physiker nehmen an, dass die sogenannten Vakuumfluktuationen die Materieverteilung im Universum entscheidend geprägt haben. Dabei handelt es sich um virtuelle Teilchenpaare, die innerhalb von Bruchteilen von Sekunden aus dem Nichts auftauchen und sofort wieder verschwinden. Alfred Leitenstorfer von der Universität Konstanz beschrieb in unserem Podcast die erste direkte Messung dieser Teilchen aus dem Nichts.

Die Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass bestimmte Paare von Größen eines Systems nicht beliebig genau bestimmt werden können – beispielsweise Ort und Geschwindigkeit, oder Energie und Zeit. Diese Aussage der Quantenphysik hat Konsequenzen für den leeren Raum, denn demnach ist dieser gar nicht so leer. Stattdessen entstehen in ihm spontan Teilchen, die sofort wieder zerfallen: die sogenannten Vakuumfluktuationen. Die Unschärfe von Energie und Zeit sorgt dafür, dass diese Teilchen keine physikalischen Gesetze wie etwa die Energieerhaltung verletzen, wenn sie nur schnell genug wieder verschwinden. Dies gilt auch für Licht, das aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern besteht.

Alfred Leitenstorfer von der Universität Konstanz

Alfred Leitenstorfer: „Gleichzeitig ergibt sich daraus die Konsequenz, dass beide Größen nicht gleichzeitig verschwinden können. Es gibt also selbst im Grundzustand des elektromagnetischen Feldes – also in der absoluten Dunkelheit, im absolut freien Raum – eine endliche Fluktuationsbandbreite. Dieser Grundzustand ist mit Vakuumfluktuationen behaftet, sowohl im elektrischen als auch im magnetischen Feld.“

Dadurch sind selbst im absolut leeren Raum immer elektromagnetische Felder vorhanden, allerdings nur auf extrem kurzen Zeitskalen von billiardstel Sekunden oder noch kürzer. Im Alltag machen sich Vakuumfluktuationen daher nicht bemerkbar. Indirekt aber hinterlassen sie durchaus ihre Spuren – zum Beispiel in bestimmten Lampen.

„Eine Leuchtstoffröhre funktioniert mithilfe eines Gases von Atomen, durch das ein Elektronenstrom geschickt wird. Die Elektronen stoßen mit den Atomen in diesem Gas und fügen ihnen dadurch Energie zu. Deshalb bringen sie die Atome aus ihrem Grundzustand heraus in einen quantenmechanisch angeregten Zustand.“

Zunächst stellte die Quantenphysik Wissenschaftler hier vor ein Rätsel: Denn laut ihr müssten die Atome in ihrem angeregten Zustand verbleiben – Licht hingegen wird nur ausgesendet, wenn die Atome aus diesem angeregten Zustand wieder in Grundzustand zurückkehren und dabei ein Photon emittieren. Erst etwas später erkannten die Forscher, dass tatsächlich die Wechselwirkungen des Atoms mit den Vakuumfluktuationen dafür sorgen, dass der angeregte Zustand instabil ist – und das Atom deshalb nach kurzer Zeit wieder in den Grundzustand zurückkehrt. Ergebnis: Die Leuchtstoffröhre leuchtet. Darüber hinaus haben Vakuumfluktuationen auch schon viel früher eine Rolle gespielt – nämlich kurz nach der Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren.

„Wir sehen, dass das Universum auf ganz großen Skalen strukturiert ist, in Galaxien zum Beispiel. Die Theorie der kosmischen Inflation führt diese Struktur zurück auf die Vakuumfluktuationen, die beim Urknall vorhanden waren. Demnach haben die Vakuumfluktuationen kurz nach dem Urknall durch ihre statistische Verteilung der Felder dem Universum eine Struktur aufgeprägt.“

Gemäß der Inflationstheorie dehnte sich das Universum kurz nach dem Urknall so schnell aus, dass sich die Vakuumfluktuationen ebenfalls mit ausdehnten. So sollen sie Dichteschwankungen im Raum verursacht haben, aus denen sich schließlich die Strukturen unseres heutigen Universums bildeten – inklusive der gigantischen Leerräume und Galaxien- sowie Superhaufen.

Experiment zur Messung von Vakuumfluktuationen

In irdischen Labors hingegen könnten die Vakuumfluktuationen zur Erklärung des sogenannten Casimir-Effekts beitragen. Dabei wirkt – scheinbar aus dem Nichts – eine Kraft auf zwei eng beieinanderstehende, elektrisch leitende Platten. Dafür verantwortlich sind die Vakuumfluktuationen des Lichts, bei denen sogenannte virtuelle Photonen, also Lichtteilchen, entstehen und sofort wieder verschwind

„Beim Casimir-Effekt spielen Vakuumfluktuationen dergestalt eine Rolle, dass man zwei Körper so nahe zusammenbringen kann, dass von der Wellenlänge her diese virtuellen Photonen nicht mehr dazwischen passen. Dann kommt dadurch eine effektive Kraft zustande, weil außerhalb dieser beiden Körper alle virtuellen Photonen nach wie vor vorhanden sind und auf diese Leiterplatten einprasseln. Auf der einen Seite gibt es also mehr Photonen als auf der anderen Seite.“

Das Ergebnis: Insgesamt wirkt eine Kraft von außen auf die Leiterplatten, die diese zusammendrückt. Allerdings lässt sich der Casimir-Effekt in einer alternativen Betrachtungsweise auch rein klassisch erklären, also ganz ohne die Effekte der Quantenphysik und der Vakuumfluktuationen. Was Forschern bislang fehlte, war die direkte Messung der Vakuumfluktuationen. Es wurde sogar angenommen, dass eine solche Beobachtung gar nicht möglich sei.

„Das gilt möglicherweise für alle jetzt existierenden Detektionsverfahren für Teilchen, die eine Ruhemasse haben. Aber in unserem Fall betreiben wir Optik, wir wollen Photonen messen. Und diese kann man eben doch direkt abtasten, wenn ich eine Messung auf einer Zeitskala machen kann, die kürzer ist als die Zeitskala, auf der diese virtuellen Photonen entstehen und wieder zerfallen.“

Um die Vakuumfluktuationen direkt zu messen, hat das Team um Alfred Leitenstorfer ein ausgeklügeltes Experiment entworfen. Kernstück dieses Experiments ist ein spezieller Laser, der ultrakurze Lichtpulse aussendet: Ein einzelner Lichtpuls dauert lediglich sechs Femtosekunden, also sechs billiardstel Sekunden. Damit sind diese Lichtpulse kürzer als die Schwingungsdauer der Felder im beobachteten Infrarot-Bereich, die aufgrund der Vakuumfluktuationen entstehen und wieder verschwinden – und können diese deshalb beobachten. Darüber hinaus verwendeten die Forscher einen sogenannten elektrooptischen Kristall, dessen spezielle Eigenschaften von den Vakuumfluktuationen beeinflusst werden:

Illustration der Messung von Vakuumfluktuationen

„Elektrooptische Materialen haben eben die Eigenschaft, dass sie ihren Brechungsindex proportional zum anliegenden elektrischen Feld ändern. Das elektromagnetische Feld dringt in diesen Kristall auf eine Art und Weise ein, dass es minimal modifiziert ist.“

Durch den geänderten Brechungsindex aufgrund der Vakuumfluktuationen ändert der Kristall die Polarisation von Licht, also seine Schwingungsrichtung. Dies gilt auch für den Laserpuls. In seinem Fall steht die Schwingungsrichtung zunächst exakt fest, bevor der Puls den Kristall durchquert.

„Bevor der Laserpuls auf den Kristall trifft, ist er exakt linear polarisiert. Die Geometrie des Kristalls ist so gewählt, dass wenn der Laserpuls durch diesen Kristall läuft und kein äußeres Feld am Kristall anliegt, diese lineare Polarisation exakt erhalten bleibt. Aber wenn eine endliche elektrische Feldamplitude anliegt, ist er nach dem Durchqueren des Kristalls ganz gleich elliptisch polarisiert.“

Leitenstorfer und seine Kollegen fanden heraus: Nach dem Durchqueren des Kristalls waren die Laserpulse tatsächlich ein wenig elliptisch polarisiert. Das elektrische Feld der Vakuumfluktuationen hatte die optischen Eigenschaften des Kristalls so beeinflusst, dass sich die Schwingungsrichtung des Lichts statistisch genau so änderte, wie es die Wissenschaftler für die Wechselwirkung mit dem schwankenden Vakuumfeld erwartet hatten. Damit haben sie die Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Felds erstmals direkt gemessen.