Kombination von Quantenphysik und Relativitätstheorie: Schallwellen aus einem Quantenvakuum im Black Hole Laboratory.

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Forscher haben eine neue Theorie zur Beobachtung eines Quantenvakuums entwickelt, die zu neuen Erkenntnissen über das Verhalten von Schwarzen Löchern führen könnte.

Der Unruh-Effekt verbindet Quantenphysik und Relativitätstheorie. Bisher war es nicht möglich, ihn zu messen oder zu beobachten, aber jetzt haben neue Forschungen eines Teams unter der Leitung der Universität Nottingham Licht darauf geworfen, wie dies mit Hilfe von Schallteilchen erreicht werden könnte. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden heute in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Der Unruh-Effekt legt nahe, dass, wenn man mit extremer Beschleunigung durch ein Quantenvakuum fliegt, das Vakuum nicht mehr wie ein Vakuum aussieht, sondern wie ein warmes Bad voller Teilchen. Dieses Phänomen steht in engem Zusammenhang mit der Hawking-Strahlung von Schwarzen Löchern.

Ein Forschungsteam des Black Hole Laboratory der Universität Nottingham hat in Zusammenarbeit mit der University of British Columbia und der Technischen Universität Wien gezeigt, dass man, anstatt den leeren Raum zu untersuchen, in dem Teilchen bei der Beschleunigung plötzlich sichtbar werden, eine zweidimensionale Wolke aus ultrakalten Atomen (Bose-Einstein-Kondensat) erzeugen kann, in der Schallteilchen, Phononen, für einen beschleunigten Beobachter im stillen Phononen-Vakuum hörbar werden. Der Schall wird nicht durch den Detektor erzeugt, sondern er hört nur aufgrund der Beschleunigung, was da ist (ein nicht beschleunigter Detektor würde immer noch nichts hören).

Das Vakuum ist voll von Teilchen

Eine der Grundideen der Relativitätstheorie von Albert Einstein ist: Messergebnisse können vom Bewegungszustand des Beobachters abhängen. Wie schnell tickt eine Uhr? Wie lang ist ein Objekt? Was ist die Wellenlänge eines Lichtstrahls? Darauf gibt es keine allgemeingültige Antwort, das Ergebnis ist relativ – es hängt davon ab, wie schnell sich der Beobachter bewegt. Aber was ist mit der Frage, ob ein bestimmter Raumbereich leer ist oder nicht? Sollten sich nicht zumindest zwei Beobachter darüber einig sein?

Nein – denn was für den einen Beobachter wie ein perfektes Vakuum aussieht, kann für den anderen ein turbulenter Schwarm von Teilchen und Strahlung sein. Der Unruh-Effekt, der 1976 von William Unruh entdeckt wurde, besagt, dass das Vakuum für einen stark beschleunigten Beobachter eine Temperatur hat. Dies ist auf so genannte virtuelle Teilchen zurückzuführen, die auch für andere wichtige Effekte verantwortlich sind, wie zum Beispiel die Hawking-Strahlung, die Schwarze Löcher zum Verdampfen bringt.

“Den Unruh-Effekt, wie William Unruh ihn beschrieben hat, direkt zu beobachten, ist für uns heute völlig unmöglich”, erklärt Dr. Sebastian Erne, der vor einigen Monaten als ESQ-Fellow von der Universität Nottingham an das Atominstitut der Technischen Universität Wien kam. “Man bräuchte ein Messgerät, das innerhalb einer Mikrosekunde fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird, um auch nur einen winzigen Unruh-Effekt zu sehen – das können wir nicht machen. Es gibt jedoch noch eine andere Möglichkeit, diesen seltsamen Effekt kennen zu lernen: mit so genannten Quantensimulatoren.

Quanten-Simulatoren

“Viele Gesetze der Quantenphysik sind universell. Es kann gezeigt werden, dass sie in sehr unterschiedlichen Systemen auftreten. Mit den gleichen Formeln kann man völlig unterschiedliche Quantensysteme erklären”, sagt Jörg Schmiedmayer von der Technischen Universität Wien. “Das bedeutet, dass man oft etwas Wichtiges über ein bestimmtes Quantensystem lernen kann, indem man ein anderes Quantensystem studiert.

“Die Simulation eines Systems mit einem anderen System ist besonders nützlich für das Verständnis Schwarzer Löcher, da echte Schwarze Löcher praktisch unzugänglich sind”, betont Dr. Cisco Gooding vom Black Hole Laboratory. “Im Gegensatz dazu können analoge Schwarze Löcher ohne weiteres direkt hier im Labor erzeugt werden”.

Dies gilt auch für den Unruh-Effekt: Wenn die ursprüngliche Version aus praktischen Gründen nicht demonstriert werden kann, kann ein anderes Quantensystem geschaffen und untersucht werden, um den Effekt dort zu sehen.

Atomwolken und Laserstrahlen

So wie ein Partikel eine “Störung” im leeren Raum ist, gibt es im kalten Bose-Einstein-Kondensat Störungen – kleine Unregelmäßigkeiten (Schallwellen), die sich wellenförmig ausbreiten. Wie nun gezeigt wurde, sollten solche Unregelmäßigkeiten mit speziellen Laserstrahlen nachweisbar sein. Mit speziellen Tricks wird das Bose-Einstein-Kondensat durch die Messung trotz der Wechselwirkung mit dem Laserlicht nur minimal gestört.

erklärt Jörg Schmiedmayer: “Wenn man den Laserstrahl so bewegt, dass sich der Beleuchtungspunkt über das Bose-Einstein-Kondensat bewegt, entspricht das der Bewegung des Beobachters durch den leeren Raum. Führt man den Laserstrahl in beschleunigter Bewegung über die Atomwolke, dann sollte man in der Lage sein, Störungen zu erkennen, die im stationären Fall nicht zu sehen sind – so wie ein beschleunigter Beobachter im Vakuum ein Wärmebad wahrnehmen würde, das für den stationären Beobachter nicht da ist”.

“Bisher war der Unruh-Effekt eine abstrakte Idee”, sagt Professor Silke Weinfurtner, die das Black-Hole-Labor an der Universität Nottingham leitet, “viele hatten die Hoffnung auf eine experimentelle Verifizierung aufgegeben. Die Möglichkeit, einen Teilchendetektor in eine Quantensimulation einzubauen, wird uns neue Einblicke in das theoretische Modell geben.

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