Licht aus dem Vakuum

Forscher bestätigen dynamischen Casimir-Effekt.

Göteborg (Schweden) - Eine der verblüffenden Vorhersagen der Quantentheorie ist, dass das Vakuum alles andere als leer ist. Die Theorie sagt voraus, dass permanent unzählige Teilchen darin entstehen und sofort danach wieder verschwinden. Diese sogenannten Vakuumfluktuationen haben auch eine Reihe messbarer Konsequenzen, von denen einige bereits experimentell nachgewiesen wurden. Nun konnten Physiker solche Teilchen erstmals direkt nachweisen.

Photonen und andere Teilchen können aus "dem Nichts" heraus entstehen, wenn sie nur schnell genug wieder verschwinden. Auf diese Weise verletzen sie keine physikalischen Gesetze. Da diese Teilchen nicht direkt beobachtbar sind, nennt man sie "virtuell". Indirekt verraten sie sich durch einige messbare physikalische Phänomene. Eines davon ist der sogenannte statische Casimir-Effekt, der an zwei elektrisch leitenden Platten im Vakuum beobachtet werden kann. Außerhalb der Platten können sich mehr virtuelle Teilchen als zwischen ihnen aufhalten. Der so entstehende "Druck" von außen bewirkt eine scheinbare Anziehung zwischen den Platten. Der 1948 theoretisch beschriebene Effekt konnte zehn Jahre später experimentell bestätigt werden.

1970 schlug der Physiker Gerald Moore eine weitere - später dynamischer Casimir-Effekt genannte - Auswirkung der Vakuumfluktuation vor: Ein beschleunigter Spiegel sollte in der Lage sein, den virtuellen Teilchen Energie zuzuführen und sie damit in reale Teilchen umzuwandeln. Bei der Umsetzung gibt es allerdings eine entscheidende Schwierigkeit. "Da es nicht möglich ist, einen Spiegel schnell genug zu bewegen, haben wir eine andere Methode entwickelt, um den gleichen Effekt zu erreichen", erklärt Per Delsing von der Chalmers Universität in Göteborg.

Seine Gruppe benutzte nun ein elektrisches Bauteil namens SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), welches sehr empfindlich auf Magnetfelder reagiert und die elektromagnetischen Felder in einem Wellenleiter beeinflussen kann. In einem Magnetfeld, das sich mehr als zehn Milliarden Mal pro Sekunde umkehrt, wirkt der Aufbau für virtuelle Mikrowellen als Spiegel, der sich mit 25 Prozent der Lichtgeschwindigkeit hin- und herbewegt. Treffen die virtuellen Photonen auf diesen "Spiegel", können sie Energie aufnehmen und gehen von ihrem virtuellen in einen realen Zustand über.

Tatsächlich konnte die Forschergruppe die konvertierten Mikrowellen nachweisen. "Die Photonen erscheinen paarweise aus dem Vakuum und lassen sich in Form von Mikrowellenstrahlung messen", sagt Per Delsing. Außerdem konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Strahlung exakt die von der Quantentheorie vorhergesagten Eigenschaften besitzt.