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Vakuum-Fluktuationen: Signale aus dem absoluten Nichts

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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Direkte Messung von Vakuum-FluktuationenSignale aus dem absoluten Nichts

Welche Eigenschaften hat das Vakuum, das absolute Nichts? Physiker gingen bislang davon aus, dass es nicht möglich sei, die Eigenschaften des Nichts – des Grundzustandes des leeren Raumes – direkt zu vermessen.

Laserexperiment

Einem Team von Konstanzer Physikern um Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer ist nun durch weltweit führende optische Messtechniken genau dies gelungen. Mit Lichtimpulsen, die kürzer sind als eine halbe Lichtschwingung im untersuchten Spektralbereich, konnten sie sogenannte Vakuum-Fluktuationen beobachten.

Diese Felder existieren selbst im absoluten Nichts und bei totaler Dunkelheit, also auch dann, wenn die Intensität des Lichts und der Radiowellen komplett verschwindet. Die Forschungsergebnisse sind von fundamentaler Bedeutung für die Weiterentwicklung der Quantenphysik. Sie werden im Wissenschaftsjournal Science veröffentlicht; eine Online-Version erschien bereits am 1. Oktober 2015.

Vakuum-Fluktuationen

Die Existenz von Vakuum-Fluktuationen war in der Theorie bereits bekannt, sie folgt aus der Heisenbergschen Unschärferelation. Diese besagt, dass elektrische und magnetische Felder niemals gleichzeitig verschwinden können. Daher treten selbst im Grundzustand von Licht und Radiowellen, also in absoluter Dunkelheit, endliche Schwankungen des elektromagnetischen Feldes auf.

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Ein unmittelbarer experimenteller Nachweis dieses grundlegenden Phänomens galt bislang aber als ausgeschlossen. Es wurde davon ausgegangen, 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.

Detektion von Vakuum-Fluktuationen

Aufbauten zur Messung elektrischer Felder mit extrem hoher zeitlicher Auflösung und Empfindlichkeit haben es nun ermöglicht, allen Vermutungen zum Trotz Vakuum-Fluktuationen direkt zu detektieren. Weltführende optische Technologien und spezielle Ultrakurzpuls-Lasersysteme höchster Stabilität bilden die Grundlage dieser Studie an der Universität Konstanz.

Diese Technologien wurden vom Konstanzer Forschungsteam selbst entwickelt, das zudem eine genaue Beschreibung der Resultate auf Basis der Quantenfeldtheorie erarbeitet hat. Die zeitliche Auflösung des Experiments liegt im Femtosekundenbereich. Gemessen wurde mit einer nur noch durch die Quantenphysik begrenzten Empfindlichkeit. „Wir können durch diese extreme Präzision erstmalig direkt sehen, dass wir ständig von elektromagnetischen Vakuum-Fluktuationsfeldern umgeben sind“, zieht Alfred Leitenstorfer sein Fazit.

Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer

„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“, erläutert Leitenstorfer, der von den Forschungsergebnissen selbst überrascht ist: „Es hat uns ein paar Jahre lang schlaflose Nächte beschert – wir mussten alle Möglichkeiten eventueller Störsignale ausschließen“, schmunzelt der Physiker. „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.“

Das Projekt wird im Rahmen eines „ERC Advanced Grant“ des Europäischen Forschungsrates gefördert.

Originalpublikation:
C. Riek, D. V. Seletskiy, A. S. Moskalenko, J. F. Schmidt, P. Krauspe, S. Eckart, S. Eggert, G. Burkard, and A. Leitenstorfer: „Direct Sampling of Electric-Field Vacuum Fluctuations“ Online-Version ab 1. Oktober 2015 in Science Express unter: www.sciencemag.org/content/early/recent.

Kontakt:
Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer
Universität Konstanz
Fachbereich Physik und Centrum für Angewandte Photonik(CAP)
Universitätsstraße 10
78464 Konstanz
E-Mail: Alfred.Leitenstorfer@uni-konstanz.de
www.uni-konstanz.de/quantum-electronics/

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