Auf den Spuren des Unruh-Effekts

Ist das Vakuum wirklich leer? Nicht unbedingt. Zu diesem Ergebnis kommt man, wenn man Quantentheorie und Relativitäts­theorie miteinander verbindet. Zu den wohl seltsamsten Effekten, die in diesem Forschungs­bereich je vorhergesagt wurden, gehört der Unruh-Effekt: Wenn man durch das Vakuum fliegt und dabei extrem beschleunigt, dann sieht es nicht mehr wie ein Vakuum aus, sondern man befindet sich plötzlich in einem Wärmebad voller Teilchen. Dieses Phänomen ist eng verwandt mit der Hawking-Strahlung schwarzer Löcher.

Beobachten konnte man es bisher noch nicht. Durch eine neue Idee könnte das nun aber möglich werden – zumindest auf indirekte Weise: Ein Forschungsteam von Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der TU Wien konnte gemeinsam mit Forschungs­gruppen aus Nottingham und Vancouver zeigen, dass man einen ganz analogen Effekt auch in ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten nachweisen könnte. Der Vorteil: Dort muss man den Beobachter nicht beschleunigen, bis er fast die Licht­geschwindigkeit erreicht hat, dort sollte man den Effekt auch bei kleinen Geschwindig­keiten beziehungsweise Beschleunigungen nachweisen können.

Der Unruh-Effekt, postuliert im Jahr 1976 von William Unruh, sagt, dass für einen stark beschleunigten Beobachter das Vakuum eine Temperatur annimmt. Das liegt an virtuellen Teilchen, die auch für andere wichtige Effekte verantwortlich sind; etwa für die Hawking-Strahlung, die dazu führt, dass schwarze Löcher verdampfen. „Den Unruh-Effekt auf direktem Weg nach­zuweisen, wie William Unruh ihn beschrieben hat, ist für uns heute völlig unmöglich“, erklärt Sebastian Erne. „Man müsste ein Messgerät innerhalb von einer Mikrosekunde fast auf Licht­geschwindigkeit beschleunigen, um zumindest einen winzig kleinen Unruh-Effekt zu sehen – das können wir nicht.“ Doch es gibt eine andere Möglichkeit, etwas über diesen merkwürdigen Effekt zu lernen: Quanten­simulatoren.

„Viele Gesetze der Quantenphysik sind sehr universell. Sie können in ganz unter­schiedlichen Systemen nachgewiesen werden. Manchmal lassen sich mit derselben Formel ganz verschiedene Quantenobjekte erklären“, sagt Jörg Schmied­mayer. „Das bedeutet, dass man oft etwas Wichtiges über ein bestimmtes Quantensystem lernen kann, indem man ein anderes Quantensystem studiert.“ Das ist auch in diesem Fall so: Wenn der Unruh-Effekt in seiner ursprünglichen Variante aus praktischen Gründen nicht nachgewiesen werden kann, dann kann man ein anderes Quantensystem herstellen, das sich möglichst gut anpassen und untersuchen lässt, um den Effekt dort in anderer Form zu studieren.

Wie das Forschungsteam rund um Silke Weinfurtner und Jorma Louko von der University of Nottingham, Willam G. Unruh von der University of Britisch Columbia und Jörg Schmiedmayer von der TU Wien nun zeigen konnte, sind zwei­dimensionale Bose-Einstein-Kondensate dafür bestens geeignet: Anstatt den leeren Raum zu studieren, in dem bei beschleunigter Bewegung plötzlich Teilchen sichtbar werden, kann man eine zwei­dimensionale Wolke aus ultrakalten Atomen studieren, bei der plötzlich innere Anregungen sichtbar werden. So ähnlich wie ein Teilchen eine „Störung“ des leeren Raumes ist, gibt es Störungen im kalten Bose-Einstein-Kondensat – kleine Unregel­mäßigkeiten, die sich wellenartig ausbreiten. Wie nun gezeigt werden konnte, sollten sich solche Unregel­mäßigkeiten mit speziellen Laserstrahlen nachweisen lassen. Durch besondere Tricks kann es gelingen, das Bose-Einstein-Kondensat trotz der Wechselwirkung mit dem Laserlicht nicht zu zerstören.

„Wenn man den Laserstrahl bewegt, so dass der Auftreffpunkt über das Bose-Einstein-Kondensat wandert, entspricht das einer Bewegung des Beobachters durch den leeren Raum“, erklärt Schmiedmayer. „Wenn man den Laserstrahl in beschleunigter Bewegung über die Atomwolke führt, dann sollte man Störungen nachweisen können, die im unbewegten Fall nicht da sind – genau wie ein beschleunigter Beobachter im Vakuum ein Wärmebad wahrnehmen würde, das für den unbewegten Beobachter nicht da ist.“

„Bis jetzt war der Unruh-Effekt eine abstrakte Idee“, sagt Silke Wein­furtner, „viele hatten die Hoffnung auf experimentelle Verifizierung aufgegeben. Die Möglichkeit einen Teilchen­detektor in einer Quanten­simulation zu integrieren, wird uns neue Einblicke in theoretische Modelle ermöglichen, die sonst experimentell nicht zugänglich sind.“ Bis das Experiment tatsächlich durchgeführt werden kann, wird wohl noch einige Zeit vergehen: „Es ist möglich, aber sehr aufwändig“, erklärt Jörg Schmiedmayer. „Aber es wäre eine wunder­schöne Möglichkeit, etwas über einen wichtigen Effekt zu lernen, den man bisher für praktisch unbeobachtbar hielt.“

TU Wien / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Gooding et al.: Interferometric Unruh Detectors for Bose-Einstein Condensates, Phys. Rev. Lett. 125, 213603 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.213603
• Atominstitut, Vienna Center for Quantum Science and Technology VCQ, Technische Universität Wien
• Dept. of Physics & Astronomy (W. Unruh), University of British Columbia, Vancouver, Kanada