„Wir haben das Vakuum gequetscht“

Selbst im perfekten Vakuum sorgen Quantenfluktuationen dafür, dass Teilchen spontan entstehen und sofort wieder zerfallen – und so ein Grundrauschen des elektromagnetischen Feldes erzeugen. Wissenschaftler der Universität Konstanz haben dieses Vakuumrauschen vor zwei Jahren erstmals vermessen. Inzwischen ist es ihnen gelungen, dieses Phänomen gezielt zu beeinflussen. Sie haben ein sogenanntes gequetschtes Vakuum realisiert, in dem das Grundrauschen der Quantenfluktuationen gegenüber dem absoluten Vakuum reduziert ist – ein Bereich, der sozusagen leerer als leer ist. Über ihre Ergebnisse, die das Team im Fachmagazin „Nature“ veröffentlichte, sprach Welt der Physik mit Alfred Leitenstorfer von der Universität Konstanz.

Welt der Physik: Was sind Quantenfluktuationen?

Alfred Leitenstorfer: Quantenfluktuationen sind Fluktuationen, die im Grundzustand eines Feldes auftreten. In unserem Fall handelt es sich dabei um das elektromagnetische Feld. Wenn man an einem Punkt im Raum und in der Zeit eine Komponente des elektrischen Feldes betrachtet und die dazu senkrechte magnetische Feldamplitude, dann besagt die Quantenelektrodynamik, dass man diese beiden Größen nicht gleichzeitig beliebig scharf messen kann. Daraus ergibt sich zwangsläufig der Befund, dass sie auch nicht beide gleichzeitig exakt null sein können. Das heißt: Selbst wenn die Lichtintensität null ist und Sie sich in der absoluten Dunkelheit befinden, dann existieren trotzdem endliche Fluktuationen des elektrischen oder des magnetischen Feldes, eine Art Grundrauschen des Vakuums. Das direkte Studium dieser Vakuum-Felder ist uns vor zwei Jahren erstmals gelungen.

Foto der beteiligten Wissenschaftler in ihrem Laserlabor.
Alfred Leitenstorfer und seine Kollegen

Wie kann man diese Quantenfluktuationen direkt vermessen?

Das grundlegende Verständnis hatte Werner Heisenberg zwar schon vor vielen Jahrzehnten, aber ich habe erst vor wenigen Monaten damit begonnen, diese Geschichte im Detail auszugraben. Mich motivierte ein Kollege nach einem Vortrag, mir einmal Heisenbergs alte Vorlesungen durchzulesen, die er 1929 an der University of Chicago gehalten hatte. Dort leitet er eine verallgemeinerte Unschärfebeziehung für Wellenfelder ab. Es scheint so, als ob der Ansatz im Wesentlichen vergessen worden wäre – oder zumindest nicht weiter verfolgt, weil niemand derartige Experimente ausführen konnte.

Aber Heisenberg hat bereits beschrieben, was wir uns parallel zu unseren Arbeiten selbst überlegt haben: Wenn der Raumbereich und das Zeitintervall, über die man diese Felder misst, möglichst klein gehalten wird, dann besagt die Unschärferelation, dass die Quantenfluktuationen sehr groß werden. Man muss also ein elektrisches Feld in einem kleinen Raumbereich und über ein sehr kurzes Zeitintervall detektieren. Wir haben eine spezielle Messtechnik entwickelt, die uns das erlaubt. Inzwischen haben wir es geschafft, dass wir diese Quantenfluktuationen auch direkt in Raum und Zeit beeinflussen und verändern können.

Wie kann man Quantenfluktuationen beeinflussen?

Wir haben ein sogenanntes gequetschtes Vakuum erzeugt. Das ist aus der Quantenoptik bereits bekannt, aber bislang konnte man es weder im mittelinfraroten Spektralbereich erzeugen, den wir untersuchen, noch auf eine so direkte Art und Weise analysieren – nämlich mit einer Zeitauflösung von weniger als einer halben Lichtschwingung und direkt im elektrischen Feld. All dies haben wir jetzt geschafft. Ein gequetschtes Vakuum funktioniert folgendermaßen: Auch diese Vakuumfluktuationen, die Quantenfluktuationen des elektromagnetischen Feldes, breiten sich in Raum und Zeit so aus, wie die Maxwellschen Gleichungen es beschreiben.

Die Fotografie zeigt eine Detailaufnahme auf einem optischen Tisch.
Die Quantenfluktuationen werden mithilfe eines Laserexperiments vermessen

Sie verhalten sich auch in Medien und an Grenzflächen wie normale elektromagnetische Felder, und dementsprechend kann man sie manipulieren, beispielsweise durch eine Phasenmodulation. Eine Phasenmodulation tritt auf, wenn eine elektromagnetische Welle einen sich zeitlich ändernden Brechungsindex erfährt – das entspricht einer Änderung der Lichtgeschwindigkeit. Wenn man mit einem kurzen Impuls arbeitet, erfolgt dies lokal in der Raumzeit. Wir können uns also vorstellen, dass für eine kurze Zeit das Bezugssystem, in dem sich die Vakuumfluktuationen ausbreiten, beschleunigt und dann wieder abgebremst wird. Dadurch werden die Fluktuationen in einem bestimmten Raumbereich ausgedünnt und häufen sich dafür in einem anderen Raumzeitsegment an.

Kann man sich das bildlich vorstellen?

Das ist ähnlich wie bei einem Verkehrsstau. Stellen Sie sich eine zufällige Verteilung von Autos auf der Autobahn vor, die alle mehr oder weniger die gleiche Geschwindigkeit haben. Jetzt fängt eine Gruppe von Autos an, langsamer zu fahren. Dann wird sich der Verkehr dahinter anstauen und davor gibt es eine Ausdünnung des Verkehrs. In erster Näherung passiert das Gleiche beim Quetschen eines Vakuumzustandes.

Wie setzt man das im Labor um?

Wir verwenden einen optisch nichtlinearen Kristall, durch den wir sogenanntes Pumplicht senden. Das ist ein sehr kurzer Lichtimpuls im nahen Infrarotbereich, der kürzer ist als eine halbe Lichtschwingung in dem Spektralbereich, in dem man das Vakuum quetschen möchte. Im nichtlinearen Kristall ändert sich der Brechungsindex lokal mit der Amplitude des Lichtimpulses, der den Kristall durchquert. Der kurze Infrarotlichtpuls wird also den Kristall durchlaufen und überall dort, wo er vorhanden ist, ist die Lichtgeschwindigkeit anders als in der Umgebung.

Was passiert an diesen Stellen mit den Vakuumfluktuationen?

Die schematische Zeichnung deutet eine Schwingung an, die die Abweichung von den Schwingungen von reinen Vakuumfluktuationen andeutet.
Schema der Quantenfluktuationen

Die Vakuumfluktuationen, die zufällig mit diesem Pumplicht mitpropagieren, werden phasenmoduliert, was bedeutet, dass ihre Amplituden in der Raumzeit umverteilt werden. Am Ende des nichtlinearen Kristalls geht es dann wieder hinaus in den freien Raum und diese nichtlineare Wechselwirkung hört auf. Anschließend können wir das Pumplicht so herausfiltern, dass nur das gequetschte Vakuum im mittelinfraroten Spektralbereich übrig bleibt. Mithilfe eines zweiten nichtlinearen Kristalls und eines weiteren Lichtimpulses können wir es danach analysieren.

Was hat die Analyse ergeben?

Wir haben herausgefunden, dass dieses elektromagnetische Feld für bestimmte Zeiten weniger rauscht als das nackte Vakuumrauschen. Natürlich handelt es sich dabei nur um einen kleinen Effekt, aber wir können das im Experiment direkt sehen. Das ist schon frappierend.

Also ist diese winzige Region in der Raumzeit noch leerer als leer?

Genau, wobei natürlich physikalisch die absolute Leere nie leer ist. Aber wir sind in der Lage, lokal noch mehr Leere zu erzeugen als das absolute Nichts. Es hat nur den Preis – und da kommen wir wieder zu Heisenberg zurück –, dass dann an einem anderen Raumzeitpunkt mehr Rauschen auftreten muss. Und spätestens hier reicht das vereinfachte Bild des Verkehrsstaus nicht mehr aus: Die Unschärferelation beinhaltet in jeder Form das Produkt zweier konjugierter Größen, welches immer größer oder gleich einem bestimmten Wert bleiben muss. In unserem Fall des elektrischen Feldes bedeutet dies, dass nahe an einem Raumzeitbereich mit sehr wenig Rauschen ein benachbarter Bereich existiert, in dem das Rauschen überproportional ansteigt.