💥 Quanteneffekte des frühen Universums im Labor nachgebildet

In der Quantenphysik ist das Vakuum nicht völlig leer. Es wird ständig von winzigen Fluktuationen durchzogen, wie sehr schwache Schwingungen. Diese Bewegungen bleiben normalerweise unsichtbar. Aber unter bestimmten Bedingungen können sie verstärkt werden und ... Teilchen entstehen lassen.

Dieser Mechanismus, parametrische Verstärkung genannt, kann mit einem einfachen Phänomen verglichen werden. Es ist wie eine Schaukel, der man zum richtigen Zeitpunkt regelmäßige Impulse gibt. Die Bewegung wird allmählich stärker. Hier sind es die Vakuumfluktuationen, die sozusagen "angeschubst" werden, bis sie beobachtbar werden.


Um diese Idee zu testen, nutzten die Wissenschaftler ein Gas aus Heliumatomen, das auf eine extrem niedrige Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. Bei dieser Kälte nimmt die Materie ein sehr besonderes Verhalten an, das von den Quantengesetzen bestimmt wird.

Das Gas wird mit Hilfe von Laserstrahlen an seinem Platz gehalten. Indem sie die Intensität eines dieser Laser regelmäßig variieren, rufen die Forscher eine kontrollierte Schwingung des Systems hervor. Diese Schwingung wirkt wie die Impulse auf die Schaukel und verstärkt bestimmte Fluktuationen.

Ergebnis: Anregungen erscheinen im Gas. Man nennt sie Phononen, die man als kleine "Energiewellen" betrachten kann, die sich im Medium ausbreiten, und sie werden als "Quasiteilchen" angesehen. Aber eine Schwierigkeit bleibt: Einige dieser Anregungen können auch von der Resttemperatur des Gases stammen, selbst wenn sie sehr gering ist.

Um sicherzugehen, dass sie tatsächlich aus dem Quantenvakuum stammen, suchten die Forscher nach einem spezifischen Fingerabdruck. Sie zeigten, dass diese Phononen in eng miteinander verbundenen Paaren auftreten, in einem Phänomen der Quantenverschränkung. Das bedeutet, dass ihre Eigenschaften stark korreliert sind, auf eine Weise, die mit der klassischen Physik nicht erklärt werden kann.

Diese Beobachtung ist wichtig, denn sie bestätigt, dass die Vakuumfluktuationen tatsächlich als Ausgangspunkt dienten. Bisher war diese Verschränkung von der Theorie vorhergesagt, aber nie direkt in diesem Systemtyp beobachtet worden.

Über diese Demonstration hinaus eröffnet das Experiment neue Perspektiven. Indem sie die Anzahl dieser Anregungen erhöhen, können die Forscher untersuchen, wie diese untereinander wechselwirken. Dieses kollektive Verhalten ist mit den aktuellen theoretischen Werkzeugen noch schwer zu beschreiben.

Diese Arbeit interessiert auch Kosmologen. Tatsächlich könnten ähnliche Mechanismen kurz nach dem Urknall aufgetreten sein, als sich das Universum ausdehnte und Teilchen aus anfänglichen Fluktuationen entstanden.

Diese Art von Experiment wirkt daher wie ein Miniaturmodell des Kosmos. Indem sie diese Bedingungen im Labor nachbilden, haben Wissenschaftler ein wertvolles Werkzeug, um Phänomene besser zu verstehen, die am Ursprung unseres Universums stattfanden.

Dieser Fortschritt wird in der Zeitschrift Physical Review Letters beschrieben.