Physiker bilden erstmals Quantenfluktuationen des leeren Raums direkt ab

In zwei Fortschritten, die die Quantennatur des Vakuums untersuchen, haben Physiker erstmals die Fluktuationen eines Quantenfeldes in seinem Grundzustand direkt abgebildet, während ein separates Team die bisher stärksten astrophysikalischen Beweise für Vakuumdoppelbrechung gemeldet hat, eine fast 90 Jahre alte Vorhersage, dass der leere Raum die Ausbreitung von Licht verändern kann.

Das Unsichtbare abbilden

Ein Team unter der Leitung von Yansheng Zhang an der University of Cambridge nutzte ein zweidimensionales Bose-Einstein-Kondensat aus Kalium-39-Atomen, um ein Quantenfeld zu konstruieren, das sie fotografieren konnten. Die Forscher kodierten ihr Zielfeld in den Spinzuständen der ultrakalten Atome und verstärkten dann das winzige Zittern im Grundzustand, das durch die Heisenbergsche Unschärferelation vorhergesagt wird, bis es messbar wurde.sciencealert

Die Technik nutzt die Tatsache aus, dass ein echter Quantenoszillator im Grundzustand niemals vollkommen stillsteht. Durch die plötzliche Änderung der Kopplungsstärke zwischen zwei internen Atomzuständen brachte das Team bereits vorhandene Vakuumfluktuationen dazu, sich zu beobachtbaren Schwingungen zu entwickeln. Sie verifizierten den Quantenursprung des Signals, indem sie zeigten, dass sein Frequenzspektrum den Vorhersagen für Vakuumfluktuationen entsprach und nicht thermischem Rauschen.sciencealert

Das System kann so abgestimmt werden, dass es sich wie ein relativistisches Sine-Gordon-Feld verhält, was Forschern potenziell eine Laborplattform bietet, um Phänomene wie den Zerfall des falschen Vakuums und die Bildung topologischer Defekte zu untersuchen, Prozesse, deren Mathematik mit herkömmlichen Methoden unzugänglich bleibt. Die Forschung, die als Preprint auf arXiv veröffentlicht wurde, hat noch kein Peer-Review-Verfahren durchlaufen.arxiv+1

Ein Magnetar bestätigt Heisenbergs Vorhersage

Unabhängig davon berichtete eine in Nature veröffentlichte Studie über den möglicherweise ersten direkten astrophysikalischen Beweis für Vakuumdoppelbrechung. Das Team unter der Leitung von Rachael E. Stewart von der George Washington University beobachtete den Magnetar 1E 1547.0-5408 mit dem Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) der NASA, dem NICER-Teleskop an Bord der Internationalen Raumstation und dem Murriyang-Radioteleskop der CSIRO.sciencedaily+2

Die Röntgenstrahlen des Magnetars zeigten einen ungewöhnlich hohen Polarisationsgrad, der mit seinem Magnetfeld ausgerichtet war, ein Merkmal, das damit übereinstimmt, dass virtuelle Teilchen im Vakuum unter den extremen magnetischen Bedingungen des Sterns als Polarisationsfilter wirken. "Der einzige Weg, ein solch hohes Polarisationssignal für diesen Magnetar zu erhalten, führt über diese Vakuum-Polarisationsfilterung auf dem Weg", sagte Michela Negro, eine an der Studie beteiligte Astrophysikerin an der Louisiana State University.lsu+1

Wie es weitergeht

Beide Ergebnisse deuten auf eine Zukunft hin, in der das Quantenvakuum direkt für Experimente zugänglich wird, anstatt nur aus indirekten Folgen abgeleitet zu werden. Das Magnetar-Team merkte an, dass weitere Beobachtungen und Simulationen erforderlich sind, um alternative Erklärungen auszuschließen, während die Cambridge-Gruppe erklärte, ihre Plattform könne "ein einzigartiges Fenster in die mikroskopischen Mechanismen" bieten, die Quantenfeldphänomene steuern, die bisher nur in der Theorie existierten.sciencedaily+1