Vakuum ist laut Quantenmechanik nicht nur ein leerer Raum. Tatsächlich ist es mit Quantenenergie und Teilchen gefüllt, winzigen Teilchen, die einfach so erscheinen und verschwinden und eine Spur in Form von Signalen hinterlassen, die wir Quantenfluktuationen nennen. Diese Schwankungen bestanden jahrzehntelang nur in unseren Quantentheorien, bis Forscher 2015 bekannt gaben, dass sie sie direkt erkannt und bestimmt hatten. Und jetzt behauptet dasselbe Wissenschaftlerteam, dass sie in ihrer Forschung viel weiter fortgeschritten sind - sie konnten das Vakuum selbst manipulieren und die Änderungen dieser mysteriösen Signale aus der Leere bestimmen.
Hier betreten wir das Gebiet der Physik auf hohem Niveau, aber was noch wichtiger ist: Wenn die Ergebnisse des Experiments, über das wir heute sprechen werden, bestätigt werden, ist es durchaus möglich, dass Wissenschaftler eine neue Art der Beobachtung, Interaktion und praktischen Prüfung der Quantenrealität entdeckt haben, ohne sie zu stören ihr. Letzteres ist besonders wichtig, da eines der größten Probleme in der Quantenmechanik - und unser Verständnis davon - darin besteht, dass wir jedes Mal, wenn wir versuchen, ein Quantensystem zu messen oder einfach nur zu beobachten, es durch diesen Einfluss zerstören. Wie Sie sich vorstellen können, passt dies nicht wirklich zu unserem Wunsch herauszufinden, was in dieser Quantenwelt wirklich vor sich geht.
Und von diesem Moment an kommt das Quantenvakuum zur Rettung. Bevor wir fortfahren, wollen wir uns kurz daran erinnern, was ein Vakuum aus Sicht der klassischen Physik ist. Hier stellt er einen Raum dar, der völlig frei von Materie ist und Energien der niedrigsten Größen enthält. Hier gibt es keine Teilchen, was bedeutet, dass nichts die reine Physik stören oder verzerren kann.
Eine der Schlussfolgerungen eines der grundlegendsten Prinzipien der Quantenmechanik - das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip - setzt der Genauigkeit der Beobachtung von Quantenteilchen Grenzen. Auch nach diesem Prinzip ist das Vakuum kein leerer Raum. Es ist mit Energie gefüllt sowie mit Paaren von Antiteilchenpartikeln, die zufällig erscheinen und verschwinden. Diese Partikel sind eher "virtuell" als physisch materiell, weshalb Sie sie nicht erkennen können. Aber obwohl sie unsichtbar bleiben, wie die meisten Objekte in der Quantenwelt, beeinflussen sie auch die reale Welt.
Diese Quantenfluktuationen erzeugen zufällig schwankende elektrische Felder, die auf Elektronen wirken können. Dank dieses Effekts konnten Wissenschaftler ihre Existenz erstmals indirekt in den 1940er Jahren nachweisen.
In den folgenden Jahrzehnten blieb dies das einzige, was wir über diese Schwankungen wussten. Eine Gruppe von Physikern unter der Leitung von Alfred Leitenstorfer von der Universität Konstanz in 2015 erklärte jedoch, sie könnten diese Schwankungen direkt bestimmen, indem sie ihre Wirkung auf eine Lichtwelle beobachten. Die Ergebnisse der Arbeit der Wissenschaftler wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
In ihrer Arbeit verwendeten die Wissenschaftler kurzwellige Laserpulse von nur wenigen Femtosekunden Dauer, die sie in ein Vakuum schickten. Die Forscher bemerkten subtile Veränderungen in der Polarisation des Lichts. Den Forschern zufolge wurden diese Veränderungen direkt durch Quantenfluktuationen verursacht. Das Ergebnis der Beobachtungen wird sicherlich mehr als einmal zu Kontroversen führen, aber die Wissenschaftler beschlossen, ihr Experiment durch "Komprimieren" des Vakuums auf ein neues Niveau zu heben. Aber auch diesmal beobachteten sie merkwürdige Veränderungen der Quantenfluktuationen. Es stellt sich heraus, dass dieses Experiment nicht nur eine weitere Bestätigung für die Existenz dieser Quantenfluktuationen war - hier können wir bereits darüber sprechen, dass Wissenschaftler einen Weg gefunden haben, den Verlauf eines Experiments in der Quantenwelt zu beobachten, ohne das Endergebnis zu beeinflussen.was in jedem anderen Fall den Quantenzustand des beobachteten Objekts zerstören würde.
„Wir können Quantenzustände analysieren, ohne sie bei der ersten Beobachtung zu ändern“, kommentiert Leitenstorfer.
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Wenn Sie den Effekt von Quantenfluktuationen auf ein bestimmtes Lichtteilchen verfolgen möchten, müssen Sie diese Teilchen normalerweise zuerst erfassen und isolieren. Dies wird wiederum die "Quantensignatur" dieser Photonen entfernen. Ein ähnliches Experiment wurde 2015 von einem Wissenschaftlerteam durchgeführt.
Im Rahmen des neuen Experiments beobachteten die Forscher das Licht selbst zeitlich, anstatt Änderungen der Quantenfluktuationen durch Absorption oder Verstärkung der Photonen des Lichts zu beobachten. Es mag seltsam klingen, aber in einem Vakuum arbeiten Raum und Zeit so, dass Sie durch sofortige Beobachtung mehr über das andere lernen können. Bei einer solchen Beobachtung stellten die Wissenschaftler fest, dass diese "Kompression" beim "Komprimieren" des Vakuums genauso auftrat wie beim Komprimieren eines Ballons, nur begleitet von Quantenschwankungen.
Irgendwann wurden diese Schwankungen stärker als das Hintergrundgeräusch des unkomprimierten Vakuums, und an einigen Stellen waren sie im Gegenteil schwächer. Leitenstorfer gibt eine Analogie eines Staus, der sich durch einen engen Straßenabschnitt bewegt: Im Laufe der Zeit belegen Autos auf ihren Fahrspuren dieselbe Fahrspur, um sich durch den engen Raum zu quetschen, und kehren dann zu ihren Fahrspuren zurück. Bis zu einem gewissen Grad geschieht nach den Beobachtungen von Wissenschaftlern dasselbe im Vakuum: Die Kompression eines Vakuums an einem Ort führt zu einer Verteilung der Änderungen der Quantenfluktuationen an anderen Orten. Und diese Änderungen können sich entweder beschleunigen oder verlangsamen.
Dieser Effekt kann in Raum-Zeit gemessen werden, wie in der folgenden Grafik dargestellt. Die Parabel in der Bildmitte repräsentiert den Punkt der "Kompression" im Vakuum:
Das Ergebnis dieser Komprimierung ist, wie im selben Bild zu sehen ist, ein gewisses "Absinken" der Schwankungen. Nicht weniger überraschend für Wissenschaftler war die Beobachtung, dass das Ausmaß der Schwankungskraft an einigen Stellen niedriger war als das Niveau der Hintergrundgeräusche, das wiederum niedriger ist als das des Grundzustands des leeren Raums.
"Da bei der neuen Messmethode keine Photonen eingefangen oder verstärkt werden, besteht die Möglichkeit, das elektromagnetische Hintergrundrauschen im Vakuum direkt zu erfassen und zu beobachten sowie die von den Forschern erzeugten Zustandsabweichungen zu kontrollieren", heißt es in der Studie.
Derzeit testen Forscher die Genauigkeit ihrer Messmethode und versuchen herauszufinden, was sie tatsächlich kann. Trotz der bereits mehr als beeindruckenden Ergebnisse dieser Arbeit besteht immer noch die Möglichkeit, dass Wissenschaftler eine sogenannte "nicht überzeugende Messmethode" entwickelt haben, die möglicherweise die Quantenzustände von Objekten nicht verletzen kann, aber gleichzeitig nicht mehr den Wissenschaftlern erzählen kann über das eine oder andere Quantensystem.
Wenn die Methode funktioniert, wollen Wissenschaftler damit den "Quantenzustand des Lichts" messen - das unsichtbare Verhalten des Lichts auf der Quantenebene, das wir gerade erst zu verstehen beginnen. Weitere Arbeiten erfordern jedoch eine zusätzliche Überprüfung - Replikation der Ergebnisse der Entdeckung eines Forscherteams der Universität Konstanz und damit Nachweis der Eignung der vorgeschlagenen Messmethode.
NIKOLAY KHIZHNYAK
